WO2024070336A1 - 光ファイバケーブル、それに接続されるコントローラ及びそれらを用いた光干渉測距センサ - Google Patents

光ファイバケーブル、それに接続されるコントローラ及びそれらを用いた光干渉測距センサ Download PDF

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WO2024070336A1
WO2024070336A1 PCT/JP2023/030097 JP2023030097W WO2024070336A1 WO 2024070336 A1 WO2024070336 A1 WO 2024070336A1 JP 2023030097 W JP2023030097 W JP 2023030097W WO 2024070336 A1 WO2024070336 A1 WO 2024070336A1
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light
interferometer
optical fiber
optical
sub
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PCT/JP2023/030097
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裕介 長崎
雅之 早川
和哉 木村
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オムロン株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber cable, a controller connected to the cable, and an optical interferometric distance sensor using the cable and the controller.
  • optical distance measuring sensors that measure the distance to a measurement object without contact have become widespread.
  • an optical interferometric distance measuring sensor that generates interference light based on a reference light and a measurement light from light projected from a wavelength swept light source, and measures the distance to the measurement object based on the interference light.
  • the optical frequency domain reflectometer described in Patent Document 1 has an auxiliary interferometer that applies a delay time difference to cause interference and output an auxiliary interference signal, and multiple linearization units with different delay times, and uses the auxiliary interference signal to correct the nonlinearity of the wavelength sweep for the measurement interference signal.
  • the optical fiber connected to the sensor head is available in a variety of lengths and types, and the user may select and replace the length and type depending on the usage situation.
  • the nonlinearity of the wavelength sweep cannot be properly corrected unless the optical path length in the auxiliary interferometer that generates the auxiliary interference signal is adjusted according to the optical path length in the main interferometer that generates the measurement interference signal (the optical fiber replaced by the user).
  • Patent Document 1 does not take into consideration measures to deal with such situations.
  • the present invention aims to provide an optical fiber cable capable of connecting an appropriate second optical fiber to a secondary interferometer in correspondence with a first optical fiber connected to a primary interferometer, a controller connected thereto, and an optical interferometric distance sensor using them.
  • the optical fiber cable according to one aspect of the present invention is an optical fiber cable used in an optical interferometer distance measuring sensor having a main interferometer that generates a first interference signal for measuring an object to be measured using a wavelength swept light source, and a sub-interferometer that generates a second interference signal for correcting the nonlinearity of the first interference signal, and includes a first optical fiber that is connected to the main interferometer to guide the light input from the main interferometer to the sensor head and output the light from the sensor head to the main interferometer, and a second optical fiber that is connected to the sub-interferometer to propagate the light input from the sub-interferometer and output it to the sub-interferometer, and the optical path lengths of the first optical fiber and the second optical fiber are set so that the first optical path length from when the light is projected from the wavelength swept light source to when it is received by the light receiving unit in the main interferometer and the second optical path length from when the light is projected from the wavelength swept light source to when it is received by the
  • a first optical fiber connected to the main interferometer and a second optical fiber connected to the sub-interferometer are provided, and the optical path length of the first optical fiber and the optical path length of the second optical fiber are set so that the first optical path length through the main interferometer and the second optical path length through the sub-interferometer are substantially the same, so that an appropriate second optical fiber can be connected to the sub-interferometer in accordance with the first optical fiber connected to the main interferometer.
  • the second optical fiber may be configured with a reflector that reflects the light propagating through the second optical fiber.
  • the reflector may be disposed inside the optical fiber cable.
  • the reflecting portion is formed inside the optical fiber cable, so the reflecting portion is not easily damaged and is appropriately protected.
  • the reflector may be disposed outside the optical fiber cable.
  • a reflecting portion is formed on the outside of the optical fiber cable, making it easier to adjust the optical path length of the second optical fiber and setting an appropriate second optical fiber corresponding to the first optical fiber.
  • a controller is a controller connected via an optical fiber cable to a sensor head that irradiates light onto a measurement object, and includes a light source that projects light while changing the wavelength, a main interferometer that receives the light projected from the light source and generates a first interference signal based on measurement light that is irradiated onto the measurement object and reflected by the sensor head and a reference light that follows an optical path at least partially different from that of the measurement light, a sub-interferometer that receives the light projected from the light source and generates a second interference signal based on the two lights that follow optical paths of different optical path lengths, and a sub-interferometer that calculates the distance from the sensor head to the measurement object while correcting the first interference signal based on the second interference signal.
  • the optical fiber cable includes a first optical fiber that is connected to the main interferometer to guide the light input from the main interferometer to the sensor head and output the light from the sensor head to the main interferometer, and a second optical fiber that is connected to the sub interferometer to propagate the light input from the sub interferometer and output it to the sub interferometer.
  • the optical path length of the first optical fiber and the optical path length of the second optical fiber are set so that the first optical path length from when the light is projected from the light source to when it is received by the light receiving unit of the main interferometer is approximately the same as the second optical path length from when the light is projected from the light source to when it is received by the light receiving unit of the sub interferometer.
  • a first optical fiber connected to the main interferometer and a second optical fiber connected to the sub-interferometer are provided, and the first optical path length of the first optical fiber and the second optical path length of the second optical fiber are set to be substantially the same, so that an appropriate second optical fiber can be connected to the sub-interferometer in accordance with the first optical fiber connected to the main interferometer.
  • the controller can be connected to an optical fiber cable including the first optical fiber and the second optical fiber, and the nonlinearity of the wavelength sweep can be appropriately corrected to measure the measurement object with high accuracy.
  • An optical interferometric distance measuring sensor is an optical interferometric distance measuring sensor having a controller that measures an object to be measured using a wavelength swept light source, and an optical fiber cable that connects the controller to a sensor head that irradiates light onto the object to be measured, the controller comprising: a light source that projects light while changing the wavelength; a main interferometer that receives the light projected from the light source and generates a first interference signal based on measurement light that is irradiated onto the object to be measured by the sensor head and reflected, and reference light that follows an optical path at least partially different from that of the measurement light; a sub-interferometer that receives the light projected from the light source and generates a second interference signal based on two lights that follow optical paths of different optical path lengths; and a sub-interferometer that generates a first interference signal based on the second interference signal.
  • the optical fiber cable includes a first optical fiber that is connected to the main interferometer to guide the light input from the main interferometer to the sensor head and output the light from the sensor head to the main interferometer, and a second optical fiber that is connected to the sub interferometer to propagate the light input from the sub interferometer and output it to the sub interferometer.
  • the optical path length of the first optical fiber and the optical path length of the second optical fiber are set so that the first optical path length from when the light is projected from the light source to when it is received by the light receiving unit of the main interferometer is approximately the same as the second optical path length from when the light is projected from the light source to when it is received by the light receiving unit of the sub interferometer.
  • a first optical fiber connected to the main interferometer and a second optical fiber connected to the sub-interferometer are provided, and the first optical path length of the first optical fiber and the second optical path length of the second optical fiber are set to be substantially the same, so that an appropriate second optical fiber can be connected to the sub-interferometer in accordance with the first optical fiber connected to the main interferometer.
  • the present invention provides an optical fiber cable capable of connecting an appropriate second optical fiber to a secondary interferometer in correspondence with a first optical fiber connected to a primary interferometer, a controller connected thereto, and an optical interferometric distance sensor using the same.
  • 1 is a schematic external view showing an overview of a displacement sensor 10 according to the present disclosure.
  • 5 is a flowchart showing a procedure for measuring a measurement object T by the displacement sensor 10 according to the present disclosure.
  • 1 is a functional block diagram showing an overview of a sensor system 1 in which a displacement sensor 10 according to the present disclosure is used.
  • 1 is a flowchart showing a procedure for measuring a measurement object T by a sensor system 1 in which a displacement sensor 10 according to the present disclosure is used.
  • 1 is a diagram for explaining the principle by which a measurement object T is measured by a displacement sensor 10 according to the present disclosure.
  • 11A and 11B are diagrams for explaining another principle by which the measurement object T is measured by the displacement sensor 10 according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of a sensor head 20.
  • 2 is a schematic diagram showing the internal structure of a sensor head 20.
  • FIG. FIG. 2 is a block diagram for explaining signal processing in a controller 30.
  • 10 is a flowchart showing a method for calculating a distance to a measurement object T, which is executed by a processing unit 59 in the controller 30.
  • 1 is a diagram showing how a waveform signal (voltage vs. time) is frequency-converted into a spectrum (voltage vs. frequency).
  • FIG. 13 is a diagram showing how a spectrum (voltage vs. frequency) is distance-transformed into a spectrum (voltage vs. distance).
  • FIG. 13 is a diagram showing how a peak is detected based on a spectrum (voltage vs. distance) and a corresponding distance value is calculated.
  • 1 is a schematic diagram showing an outline of the configuration of an optical interferometric distance measuring sensor 100 according to an embodiment of the present invention. 1 is a diagram showing how the optical fiber cable 130 can be attached to and detached from the controller 110.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 101, showing in schematic form the specific configurations of a main interferometer 112 and a sub interferometer 114.
  • FIG. FIG. 13 is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 101, showing another specific configuration of the main interferometer 112 and the sub interferometer 114.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a specific configuration of a reflecting portion 133 in an optical fiber cable 130.
  • FIG. This is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 103, showing the specific configurations of the main interferometer 112 and the secondary interferometer 114 when an optical fiber cable 130 is used in which a folded portion 134 is formed in the second optical fiber 132.
  • This is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 104 showing the specific configurations of the main interferometer 112 and the secondary interferometer 114 when an optical fiber cable 130 having multiple second optical fibers connected to the secondary interferometer 114 is used.
  • 13 is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 105, showing a specific configuration of a main interferometer 112 and a sub interferometer 114 when a main interferometer 112 having a multi-stage optical path is used.
  • 13A and 13B are diagrams showing variations of an interferometer that generates interference light using measurement light and reference light.
  • Fig. 1 is a schematic external view showing an overview of a displacement sensor 10 according to the present disclosure.
  • the displacement sensor 10 includes a sensor head 20 and a controller 30, and measures the displacement of a measurement object T (the distance to the measurement object T).
  • the sensor head 20 and the controller 30 are connected by an optical fiber 40, and an objective lens 21 is attached to the sensor head 20.
  • the controller 30 also includes a display unit 31, a setting unit 32, an external interface (I/F) unit 33, an optical fiber connection unit 34, and an external memory unit 35, and further includes a measurement processing unit 36 inside.
  • the sensor head 20 irradiates the light output from the controller 30 onto the measurement object T and receives the reflected light from the measurement object T.
  • the sensor head 20 has an internal reference surface that reflects the light output from the controller 30 and received via the optical fiber 40 and causes it to interfere with the reflected light from the measurement object T described above.
  • the objective lens 21 is attached to the sensor head 20, but the objective lens 21 is configured to be removable.
  • the objective lens 21 can be replaced with an objective lens having an appropriate focal length depending on the distance between the sensor head 20 and the measurement target T, or a variable-focus objective lens may be used.
  • guide light visible light
  • the sensor head 20 and/or the measurement object T may be installed so that the measurement object T is appropriately positioned within the measurement area of the displacement sensor 10.
  • the optical fiber 40 is connected to and extends from the optical fiber connection section 34 disposed in the controller 30, connecting the controller 30 and the sensor head 20. As a result, the optical fiber 40 is configured to guide the light projected from the controller 30 to the sensor head 20, and further guide the return light from the sensor head 20 to the controller 30.
  • the optical fiber 40 is detachable from the sensor head 20 and the controller 30, and various optical fibers can be used in terms of length, thickness, characteristics, etc.
  • the display unit 31 is configured, for example, with a liquid crystal display or an organic EL display.
  • the display unit 31 displays the set value of the displacement sensor 10, the amount of returned light received from the sensor head 20, and the measurement results such as the displacement of the measurement object T measured by the displacement sensor 10 (the distance to the measurement object T).
  • the setting unit 32 performs the settings necessary for measuring the measurement target T, for example, by the user operating a mechanical button, a touch panel, or the like. All or part of these necessary settings may be set in advance, or may be set from an external connection device (not shown) connected to the external I/F unit 33. In addition, the external connection device may be connected via a network in a wired or wireless manner.
  • the external I/F unit 33 is composed of, for example, Ethernet (registered trademark), RS232C, and analog output.
  • the external I/F unit 33 may be connected to another connected device to allow necessary settings to be made from the external connected device, or may output the measurement results, etc., measured by the displacement sensor 10 to the external connected device.
  • the controller 30 may import data stored in the external memory unit 35 to perform settings required for measuring the measurement object T.
  • the external memory unit 35 is, for example, an auxiliary storage device such as a USB (Universal Serial Bus) memory, and stores in advance settings required for measuring the measurement object T.
  • USB Universal Serial Bus
  • the measurement processing unit 36 in the controller 30 includes, for example, a wavelength swept light source that emits light while continuously changing the wavelength, a light receiving element that receives the return light from the sensor head 20 and converts it into an electrical signal, and a signal processing circuit that processes the electrical signal.
  • various processes are performed using a control unit, a memory unit, etc. based on the return light from the sensor head 20 so that the displacement of the measurement object T (the distance to the measurement object T) is ultimately calculated. Details of these processes will be described later.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the procedure for measuring the measurement object T by the displacement sensor 10 according to the present disclosure. As shown in FIG. 2, the procedure includes steps S11 to S14.
  • step S11 the sensor head 20 is installed.
  • guide light is irradiated from the sensor head 20 onto the measurement target T, and the sensor head 20 is installed in an appropriate position based on the guide light.
  • the amount of light received from the sensor head 20 is displayed on the display unit 31 of the controller 30, and the user may adjust the orientation of the sensor head 20 and the distance (height position) from the measurement object T while checking the amount of light received. Basically, if the light from the sensor head 20 can be irradiated perpendicularly (at an angle closer to perpendicular) to the measurement object T, the amount of light reflected from the measurement object T will be large, and the amount of light received from the sensor head 20 will also be large.
  • the objective lens 21 may be replaced with one having an appropriate focal length depending on the distance between the sensor head 20 and the measurement object T.
  • an error or incomplete settings may be displayed on the display unit 31 or output to an externally connected device to notify the user.
  • step S12 various measurement conditions are set when measuring the measurement object T.
  • the user sets the inherent calibration data (such as a function that corrects linearity) of the sensor head 20 by operating the setting unit 32 in the controller 30.
  • the sampling time, the measurement range, and a threshold for determining whether the measurement result is normal or abnormal may be set.
  • the measurement period may be set according to the characteristics of the measurement object T, such as the reflectance and material of the measurement object T, and a measurement mode may be set according to the material of the measurement object T.
  • step S13 the sensor head 20 installed in step S11 measures the measurement target T according to the measurement conditions and various parameters set in step S12.
  • the measurement processing unit 36 of the controller 30 light is projected from the wavelength swept light source, the light returning from the sensor head 20 is received by a light receiving element, and the signal processing circuit performs frequency analysis, distance conversion, peak detection, etc., to calculate the displacement of the measurement object T (the distance to the measurement object T). Specific details of the measurement process will be described later.
  • step S14 the measurement results obtained in step S13 are output.
  • the displacement of the measurement object T (distance to the measurement object T) measured in step S13 is displayed on the display unit 31 in the controller 30, or output to an externally connected device.
  • the displacement of the measurement object T (distance to the measurement object T) measured in step S13 may be displayed or output as a measurement result as to whether it is within a normal range or abnormal based on the threshold value set in step S12.
  • the measurement conditions, various parameters, measurement mode, etc. set in step S12 may also be displayed or output.
  • FIG. 3 is a functional block diagram showing an overview of a sensor system 1 in which a displacement sensor 10 according to the present disclosure is used.
  • the sensor system 1 includes the displacement sensor 10, a control device 11, a control signal input sensor 12, and an external connection device 13.
  • the displacement sensor 10 is connected to the control device 11 and the external connection device 13 by, for example, a communication cable or an external connection cord (including, for example, an external input line, an external output line, a power line, etc.), and the control device 11 and the control signal input sensor 12 are connected by a signal line.
  • the displacement sensor 10 measures the displacement of the measurement object T (the distance to the measurement object T). The displacement sensor 10 may then output the measurement results, etc. to the control device 11 and the externally connected device 13.
  • the control device 11 is, for example, a PLC (Programmable Logic Controller), and provides various instructions to the displacement sensor 10 when the displacement sensor 10 measures the measurement object T.
  • PLC Programmable Logic Controller
  • control device 11 may output a measurement timing signal to the displacement sensor 10 based on an input signal from a control signal input sensor 12 connected to the control device 11, or may output a zero reset command signal (a signal for setting the current measurement value to 0) or the like to the displacement sensor 10.
  • the control signal input sensor 12 outputs an on/off signal to the control device 11, which indicates the timing for the displacement sensor 10 to measure the measurement object T.
  • the control signal input sensor 12 may be installed near a production line along which the measurement object T moves, and upon detecting that the measurement object T has moved to a predetermined position, output an on/off signal to the control device 11.
  • the external connection device 13 is, for example, a PC (Personal Computer), and the user can operate it to configure various settings for the displacement sensor 10.
  • PC Personal Computer
  • Specific examples include the measurement mode, operation mode, measurement period, and the material of the measurement object T.
  • an "internal synchronous measurement mode” in which measurement is started periodically within the control device 11, or an “external synchronous measurement mode” in which measurement is started in response to an input signal from outside the control device 11, etc. can be selected.
  • an “operation mode” for actually measuring the measurement object T, or an “adjustment mode” for setting the measurement conditions for measuring the measurement object T, etc. can be selected.
  • the measurement period is the period for measuring the measurement object T, and may be set according to the reflectance of the measurement object T. Even if the reflectance of the measurement object T is low, the measurement object T can be properly measured by lengthening the measurement period and setting it appropriately.
  • the "rough surface mode” is selected when the reflected light component is relatively high in diffuse reflection
  • the "mirror surface mode” is selected when the reflected light component is relatively high in specular reflection
  • the "standard mode” is selected as an intermediate mode between the two.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the procedure for measuring a measurement object T by a sensor system 1 in which a displacement sensor 10 according to the present disclosure is used. As shown in FIG. 4, the procedure is for the external synchronization measurement mode described above, and includes steps S21 to S24.
  • step S21 the sensor system 1 detects the measurement object T, which is the object to be measured. Specifically, the control signal input sensor 12 detects that the measurement object T has moved to a predetermined position on the production line.
  • step S22 the sensor system 1 issues a measurement instruction to have the displacement sensor 10 measure the measurement object T detected in step S21.
  • the control signal input sensor 12 outputs an on/off signal to the control device 11 to instruct the timing of measuring the measurement object T detected in step S21
  • the control device 11 outputs a measurement timing signal to the displacement sensor 10 based on the on/off signal to instruct the displacement sensor 10 to measure the measurement object T.
  • step S23 the measurement object T is measured by the displacement sensor 10. Specifically, the displacement sensor 10 measures the measurement object T based on the measurement instruction received in step S22.
  • step S24 the sensor system 1 outputs the measurement results obtained in step S23.
  • the displacement sensor 10 displays the results of the measurement process on the display unit 31, or outputs the results to the control device 11 or the externally connected device 13 via the external I/F unit 33.
  • FIG. 4 has been used to explain the procedure for the external synchronous measurement mode in which the measurement object T is measured by the control signal input sensor 12 detecting the measurement object T
  • the procedure is not limited to this.
  • a measurement timing signal is generated based on a preset cycle to instruct the displacement sensor 10 to measure the measurement object T.
  • 5A is a diagram for explaining the principle of measuring the measurement target T by the displacement sensor 10 according to the present disclosure.
  • the displacement sensor 10 includes a sensor head 20 and a controller 30.
  • the sensor head 20 includes an objective lens 21 and a plurality of collimator lenses 22a to 22c
  • the controller 30 includes a wavelength swept light source 51, an optical amplifier 52, a plurality of isolators 53 and 53a to 53b, a plurality of optical couplers 54 and 54a to 54e, an attenuator 55, a plurality of light receiving elements (e.g., photodetectors (PD)) 56a to 56c, a plurality of amplifier circuits 57a to 57c, a plurality of analog-to-digital (AD) conversion units (e.g., analog-to-digital converters) 58a to 58c, a processing unit (e.g., a processor) 59, a balance detector 60, and a correction signal generating unit 61.
  • PD photodetectors
  • the wavelength swept light source 51 emits a laser beam with a swept wavelength.
  • a VCSEL Very Cavity Surface Emitting Laser
  • mode hopping is unlikely to occur due to the short resonator length, the wavelength can be easily changed, and it can be realized at low cost.
  • the optical amplifier 52 amplifies the light emitted from the wavelength swept light source 51.
  • the optical amplifier 52 may be, for example, an erbium-doped fiber amplifier (EDFA), and may be, for example, an optical amplifier dedicated to 1550 nm.
  • EDFA erbium-doped fiber amplifier
  • the isolator 53 is an optical element that transmits incident light in one direction, and may be placed immediately after the wavelength swept light source 51 to prevent the effects of noise caused by returned light.
  • the light emitted from the wavelength swept light source 51 is amplified by the optical amplifier 52, passes through the isolator 53, and is branched by the optical coupler 54 to the main interferometer and the sub interferometer.
  • the optical coupler 54 may be configured so that the proportion of light branched to the main interferometer and the sub interferometer is 90% or more on the main interferometer side.
  • the light branched off to the main interferometer is further branched by the first-stage optical coupler 54a in the direction of the sensor head 20 and in the direction of the second-stage optical coupler 54b.
  • the light branched by the first-stage optical coupler 54a toward the sensor head 20 passes from the tip of the optical fiber through the collimator lens 22a and the objective lens 21 in the sensor head 20 and is irradiated onto the measurement object T.
  • the tip (end face) of the optical fiber then becomes the reference surface, and the light reflected from the reference surface interferes with the light reflected from the measurement object T, generating interference light that returns to the first-stage optical coupler 54a, and is then received by the light-receiving element 56a and converted into an electrical signal.
  • the light branched by the first-stage optical coupler 54a in the direction of the second-stage optical coupler 54b travels through the isolator 53a to the second-stage optical coupler 54b, which then branches it further into the direction of the sensor head 20 and the direction of the third-stage optical coupler 54c.
  • the light branched from the optical coupler 54b in the direction of the sensor head 20 passes through the collimator lens 22b and the objective lens 21 from the tip of the optical fiber in the sensor head 20 and is irradiated onto the measurement object T.
  • the tip (end face) of the optical fiber then becomes the reference surface, and the light reflected by the reference surface and the light reflected by the measurement object T interfere with each other to generate interference light, which returns to the second-stage optical coupler 54b and is branched by the optical coupler 54b in the directions of the isolator 53a and the light receiving element 56b.
  • the light branched from the optical coupler 54b in the direction of the light receiving element 56b is received by the light receiving element 56b and converted into an electrical signal.
  • the isolator 53a transmits light from the optical coupler 54a in the front stage to the optical coupler 54b in the rear stage and blocks light from the optical coupler 54b in the rear stage to the optical coupler 54a in the front stage, so the light branched from the optical coupler 54b in the direction of the isolator 53a is blocked.
  • the light branched by the second-stage optical coupler 54b in the direction of the third-stage optical coupler 54c travels through the isolator 53b to the third-stage optical coupler 54c, where it is further branched by the third-stage optical coupler 54c in the direction of the sensor head 20 and the direction of the attenuator 55.
  • the light branched from the optical coupler 54c in the direction of the sensor head 20 passes from the tip of the optical fiber in the sensor head 20 through the collimator lens 22c and the objective lens 21 and is irradiated onto the measurement object T.
  • the tip (end face) of the optical fiber then becomes the reference surface, and the light reflected by the reference surface interferes with the light reflected by the measurement object T to generate interference light, which returns to the third-stage optical coupler 54c and is branched by the optical coupler 54c in the directions of the isolator 53b and the light receiving element 56c.
  • the light branched from the optical coupler 54c in the direction of the light receiving element 56c is received by the light receiving element 56c and converted into an electrical signal.
  • the isolator 53b transmits light from the optical coupler 54b in the previous stage to the optical coupler 54c in the next stage and blocks light from the optical coupler 54c in the next stage to the optical coupler 54b in the previous stage, so the light branched from the optical coupler 54c in the direction of the isolator 53b is blocked.
  • the light branched off by the third-stage optical coupler 54c in a direction other than the sensor head 20 is not used to measure the measurement object T, it is advisable to attenuate it by an attenuator 55 such as a terminator so that it is not reflected back.
  • the main interferometer has three optical paths (three channels), each with an optical path length difference of twice the distance (round trip) from the tip (end face) of the optical fiber of the sensor head 20 to the measurement object T, and generates three interference lights according to the optical path length difference.
  • the light receiving elements 56a to 56c receive the interference light from the main interferometer as described above and generate an electrical signal according to the amount of light received.
  • the amplifier circuits 57a to 57c amplify the electrical signals output from the light receiving elements 56a to 56c, respectively.
  • the AD conversion units 58a to 58c receive the electrical signals amplified by the amplifier circuits 57a to 57c, respectively, and convert the electrical signals from analog to digital (AD conversion).
  • the AD conversion units 58a to 58c perform AD conversion based on the correction signal from the correction signal generation unit 61 in the sub-interferometer.
  • the secondary interferometer acquires an interference signal and generates a correction signal called a K clock.
  • the light branched off to the sub-interferometer by optical coupler 54 is further branched off by optical coupler 54d.
  • the optical paths of the branched lights are configured to have an optical path length difference, for example, by using optical fibers of different lengths between optical couplers 54d and 54e, and interference light according to the optical path length difference is output from optical coupler 54e.
  • the balanced detector 60 receives the interference light from optical coupler 54e and amplifies the optical signal and converts it into an electrical signal while removing noise by taking the difference with the opposite phase signal.
  • optical coupler 54d and optical coupler 54e each need to split light in a 50:50 ratio.
  • the correction signal generator 61 determines the nonlinearity of the wavelength when the wavelength swept light source 51 is swept based on the electrical signal from the balance detector 60, generates a K clock according to the nonlinearity, and outputs it to the AD converters 58a to 58c.
  • the intervals between the waves of the analog signals input to the AD converters 58a to 58c in the main interferometer are not equal.
  • the sampling time is corrected based on the K clock described above and AD conversion (sampling) is performed so that the intervals between the waves become equal.
  • the K clock is a correction signal used to sample the analog signal of the main interferometer, and therefore needs to be generated at a higher frequency than the analog signal of the main interferometer.
  • the optical path length difference between optical couplers 54d and 54e in the sub interferometer may be made longer than the optical path length difference between the tip (end face) of the optical fiber in the main interferometer and the measurement object T, or the frequency may be multiplied (e.g., 8 times) by the correction signal generator 61 to make it higher frequency.
  • the processing unit 59 acquires the digital signals that have been AD converted while the nonlinearity has been corrected by the AD conversion units 58a to 58c, and calculates the displacement of the measurement object T (the distance to the measurement object T) based on the digital signals. Specifically, the processing unit 59 uses a fast Fourier transform (FFT) to frequency convert the digital signals, and calculates the distance by analyzing them.
  • FFT fast Fourier transform
  • processing unit 59 because high-speed processing is required for the processing unit 59, it is often realized by an integrated circuit such as an FPGA (field-programmable gate array).
  • FPGA field-programmable gate array
  • the sensor head 20 irradiates the measurement object T with measurement light from each optical path, and the distance to the measurement object T, etc. are measured based on the interference light (return light) obtained from each (multi-channel).
  • the number of channels in the main interferometer is not limited to three, and may be one or two, or four or more.
  • the displacement sensor 10 includes a sensor head 20 and a controller 30.
  • the sensor head 20 includes an objective lens 21 and a plurality of collimator lenses 22a to 22c
  • the controller 30 includes a wavelength swept light source 51, an optical amplifier 52, a plurality of isolators 53 and 53a to 53b, a plurality of optical couplers 54 and 54a to 54j, an attenuator 55, a plurality of light receiving elements (e.g., photodetectors (PD)) 56a to 56c, a plurality of amplifier circuits 57a to 57c, a plurality of analog-to-digital (AD) conversion units (e.g., analog-to-digital converters) 58a to 58c, a processing unit (e.g., a processor) 59, a balance detector 60, and a correction signal generation unit 61.
  • the sensor head 20 includes an objective lens 21 and a plurality of collimator lenses 22a to 22c
  • the controller 30 includes a wavelength
  • the light emitted from the wavelength swept light source 51 is amplified by the optical amplifier 52, passes through the isolator 53, and is branched by the optical coupler 54 to the main interferometer side and the sub-interferometer side.
  • the light branched to the main interferometer side is further branched by the optical coupler 54f into measurement light and reference light.
  • the measurement light is irradiated onto the measurement object T through the collimator lens 22a and the objective lens 21 by the first-stage optical coupler 54a and is reflected by the measurement object T.
  • the tip (end face) of the optical fiber is used as a reference surface, and the light reflected from the reference surface interferes with the light reflected from the measurement object T to generate interference light, but in FIG. 5B, no reference surface is provided for reflecting light. That is, in FIG. 5B, since no light is reflected from the reference surface as in FIG. 5A, the measurement light reflected from the measurement object T returns to the first-stage optical coupler 54a.
  • the light branched from the first-stage optical coupler 54a in the direction of the second-stage optical coupler 54b passes through the collimator lens 22b and the objective lens 21 by the second-stage optical coupler 54b, is irradiated onto the measurement object T, is reflected by the measurement object T, and returns to the second-stage optical coupler 54b.
  • the light branched from the second-stage optical coupler 54b in the direction of the third-stage optical coupler 54c passes through the collimator lens 22c and the objective lens 21 by the third-stage optical coupler 54c, is irradiated onto the measurement object T, is reflected by the measurement object T, and returns to the third-stage optical coupler 54c.
  • the reference light split by optical coupler 54f is further split by optical coupler 54g to optical couplers 54h, 54i, and 54j.
  • the measurement light reflected by the measurement object T output from the optical coupler 54a interferes with the reference light output from the optical coupler 54g, generating interference light that is received by the light receiving element 56a and converted into an electrical signal.
  • the measurement light and the reference light are split by the optical coupler 54f, and interference light is generated according to the optical path length difference between the optical path of the measurement light (the optical path from the optical coupler 54f through the optical coupler 54a, the collimator lens 22a, the objective lens 21, reflected by the measurement object T, and reaching the optical coupler 54h) and the optical path of the reference light (the optical path from the optical coupler 54f through the optical coupler 54g to the optical coupler 54h), and the interference light is received by the light receiving element 56a and converted into an electrical signal.
  • interference light is generated according to the difference in optical path length between the optical path of the measurement light (the optical path from optical coupler 54f, through optical couplers 54a and 54b, collimating lens 22b, objective lens 21, reflected by the measurement object T, and reaching optical coupler 54i) and the optical path of the reference light (the optical path from optical coupler 54f to optical coupler 54i via optical coupler 54g), and the interference light is received by light-receiving element 56b and converted into an electrical signal.
  • interference light is generated according to the difference in optical path length between the optical path of the measurement light (the optical path from optical coupler 54f through optical couplers 54a, 54b, 54c, collimating lens 22c, objective lens 21, reflected by the measurement object T, and reaching optical coupler 54j) and the optical path of the reference light (the optical path from optical coupler 54f through optical coupler 54g and reaching optical coupler 54j), and the interference light is received by the light receiving element 56c and converted into an electrical signal.
  • the light receiving elements 56a to 56c may be, for example, balanced photodetectors.
  • the main interferometer has three optical paths (three channels) and generates three interference lights according to the optical path length difference between the measurement light reflected by the measurement object T and input to optical couplers 54h, 54i, and 54j, and the reference light input to optical couplers 54h, 54i, and 54j via optical couplers 54f and 54g, respectively.
  • optical path length difference between the measurement light and the reference light may be set to be different for each of the three channels, for example, the optical path lengths of optical coupler 54g and each of optical couplers 54h, 54i, and 54j may be set to be different.
  • the distance to the measurement object T, etc. is measured (multi-channel).
  • FIG. 6A is a perspective view showing a schematic configuration of the sensor head 20
  • FIG. 6B is a schematic view showing the internal structure of the sensor head.
  • the sensor head 20 has the objective lens 21 and collimator lens stored in the lens holder 23.
  • the size of the lens holder 23 is such that the length of one side surrounding the objective lens 21 is about 20 mm, and the length in the optical axis direction is about 40 mm.
  • the lens holder 23 stores one objective lens 21 and three collimating lenses 22a to 22c. Light from the optical fiber is guided to the three collimating lenses 22a to 22c via the optical fiber array 24, and the light that passes through the three collimating lenses 22a to 22c is irradiated onto the measurement object T via the objective lens 21.
  • the lens holder 23 that constitutes the sensor head 20 may also be made of a metal (e.g., A2017) that is strong and can be machined with high precision.
  • FIG. 7 is a block diagram for explaining signal processing in the controller 30.
  • the controller 30 includes a plurality of light receiving elements 71a-71e, a plurality of amplifier circuits 72a-72c, a plurality of AD conversion units 74a-74c, a processing unit 75, a differential amplifier circuit 76, and a correction signal generation unit 77.
  • the controller 30 splits the light emitted from the wavelength swept light source 51 into a main interferometer and a sub-interferometer by the optical coupler 54, and calculates the distance to the measurement object T by processing the main interference signal and the sub-interference signal obtained from each.
  • the multiple light receiving elements 71a to 71c correspond to the light receiving elements 56a to 56c shown in FIG. 5A, and each receive the main interference signal from the main interferometer and output it as a current signal to the amplifier circuits 72a to 72c, respectively.
  • the multiple amplifier circuits 72a to 72c convert the current signal into a voltage signal (IV conversion) and amplify it.
  • the multiple AD conversion units 74a to 74c correspond to the AD conversion units 58a to 58c shown in FIG. 5A, and convert the voltage signal into a digital signal (AD conversion) based on the K clock from the correction signal generation unit 77, which will be described later.
  • the processing unit 75 corresponds to the processing unit 59 shown in FIG. 5A, and converts the digital signals from the AD conversion units 74a to 74c into frequencies using FFT, analyzes them, and calculates the distance value to the measurement target T.
  • the multiple light receiving elements 71d-71e and the differential amplifier circuit 76 correspond to the balanced detector 60 shown in FIG. 5A, and each receives the interference light from the sub-interferometer, one of which outputs an interference signal with an inverted phase, and the interference signal is amplified and converted into a voltage signal while noise is removed by taking the difference between the two signals.
  • the correction signal generating unit 77 corresponds to the correction signal generating unit 61 shown in FIG. 5A, and binarizes the voltage signal using a comparator, generates a K clock, and outputs it to the AD conversion units 74a to 74c. Since the K clock needs to be generated at a higher frequency than the analog signal of the main interferometer, the correction signal generating unit 77 may multiply the frequency (e.g., 8 times) to increase the frequency.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a method for calculating the distance to the measurement target T, which is executed by the processing unit 59 in the controller 30. As shown in FIG. 8, the method includes steps S31 to S34.
  • step S31 the processing unit 59 performs frequency conversion of the waveform signal (voltage vs. time) into a spectrum (voltage vs. frequency) using the following FFT:
  • Fig. 9A is a diagram showing how the waveform signal (voltage vs. time) is frequency converted into a spectrum (voltage vs. frequency).
  • step S32 the processing unit 59 performs distance conversion from the spectrum (voltage vs. frequency) to a spectrum (voltage vs. distance).
  • FIG. 9B is a diagram showing how the spectrum (voltage vs. frequency) is distance converted to a spectrum (voltage vs. distance).
  • step S33 the processing unit 59 calculates a distance value corresponding to the peak based on the spectrum (voltage vs. distance).
  • FIG. 9C is a diagram showing how peaks are detected based on the spectrum (voltage vs. distance) and the corresponding distance values are calculated. As shown in FIG. 9C, peaks are detected in each of the three channels based on the spectrum (voltage vs. distance), and distance values corresponding to each peak are calculated.
  • step S34 the processing unit 59 averages the distance values calculated in step S33. Specifically, since peaks have been detected in each of the three channels based on the spectrum (voltage vs. distance) in step S33 and the corresponding distance values have been calculated, the processing unit 59 averages these values and outputs the averaged calculation result as the distance to the measurement object T.
  • step S34 when averaging the distance values calculated in step S33, the processing unit 59 preferably averages distance values whose SNR is equal to or greater than a threshold value. For example, if a peak is detected based on the spectrum (voltage vs. distance) in any of the three channels but the SNR is less than the threshold value, the distance value calculated based on the spectrum is determined to be unreliable and is not adopted.
  • optical interferometric distance measuring sensor corresponds to the displacement sensor 10 described using Figures 1 to 9, and all or part of the basic configuration, functions, and properties included in the optical interferometric distance measuring sensor are common to the configuration, functions, and properties included in the displacement sensor 10 described using Figures 1 to 9.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an outline of the configuration of an optical interferometric distance measuring sensor 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical interferometric distance measuring sensor 100 has a controller 110 and a sensor head 120, and further includes an optical fiber cable 130 connecting these, and measures the distance to a measurement target T based on interference light.
  • the controller 110 includes a wavelength swept light source 111, a main interferometer 112, a first photodetector (light receiving section) 113, a sub-interferometer 114, a second photodetector (light receiving section) 115, and a processing section 116.
  • the optical fiber cable 130 is an optical fiber group made up of a plurality of optical fibers, and in this case, is made up of a first optical fiber 131 and a second optical fiber 132, and a reflecting section 133 is formed at the end of the second optical fiber 132.
  • the swept light source 111 emits light while continuously changing the wavelength. In other words, the wavelength of the light emitted from the swept light source 111 is continuously changing.
  • the light emitted from the swept light source 111 is supplied to the main interferometer 112 and the sub interferometer 114 via an optical branching unit such as an optical coupler, for example.
  • the main interferometer 112 is connected to the first optical fiber 131 of the optical fiber cable 130, and supplies the light emitted from the wavelength swept light source 111 to the sensor head 120 via the first optical fiber 131, and further guides the return light from the sensor head 120 to the first photodetector 113.
  • the light guided from the main interferometer 112 to the sensor head 120 via the first optical fiber 131 is irradiated as measurement light to the measurement object T via, for example, a collimator lens or an objective lens arranged in the sensor head 120. Then, the reflected light from the measurement object T returns to the sensor head 120.
  • a portion of the light guided from the main interferometer 112 to the sensor head 120 via the first optical fiber 131 is reflected as reference light, for example, by a reference surface provided at the tip of the first optical fiber 131. Then, the above-mentioned measurement light and the reference light interfere with each other to generate interference light corresponding to the optical path length difference between the measurement light and the reference light (first interference signal).
  • the main interferometer 112 is supplied with light projected from the swept light source 111, and generates a first interference signal based on the measurement light that is irradiated onto the measurement object T and reflected by the sensor head 120, and the reference light that follows at least a partially different optical path from the measurement light.
  • the main interferometer 112 can also be referred to as including the first optical fiber 131 and the sensor head 120.
  • the first photodetector 113 receives the first interference signal generated by the main interferometer 112, and the processing unit 116 calculates the distance to the measurement object T while correcting the first interference signal based on the second interference signal described below.
  • the sub-interferometer 114 is supplied with light projected from the swept light source 111, and generates a second interference signal based on two lights that follow optical paths of different optical path lengths.
  • the sub-interferometer 114 may include an optical branching unit such as an optical coupler, branch the light projected from the swept light source 111 into optical paths of different optical path lengths, and further combine and interfere with each other to generate the second interference signal.
  • the sub-interferometer 114 is connected to the second optical fiber 132 of the optical fiber cable 130, and transmits the second interference signal to the second optical fiber 132, and then guides it to the second photodetector 115. Specifically, the second interference signal propagates through the second optical fiber 132, is reflected by the reflecting portion 133, and is received by the second photodetector 115 again via the second optical fiber 132. Note that since light projected from the wavelength swept light source 111 is supplied to the sub-interferometer 114 to generate the second interference signal, the sub-interferometer 114 can also be referred to as including the second optical fiber 132 and the reflecting portion 133.
  • the processing unit 116 calculates the distance to the measurement object T while correcting the first interference signal generated by the main interferometer 112 and received by the first photodetector 113 based on the second interference signal generated by the sub-interferometer 114 and received by the second photodetector 115.
  • the first interference signal received by the first photodetector 113 is an analog signal in which the wave intervals are not equal.
  • the analog signal is AD converted, it is advisable to perform linearization correction using, for example, a correction signal (K clock) so that the wave intervals become equal.
  • the correction signal (K clock) is generated by the correction signal generating unit ( Figures 5A, 5B, 7, etc.) based on the second interference signal.
  • the second interference signal is nonlinear like the first interference signal due to the nonlinearity of the wavelength during sweeping, so the correction signal generating unit can grasp the nonlinearity of the wavelength during sweeping based on the second interference signal and generate a correction signal (K clock) that appropriately AD converts (samples) the analog signal of the first interference signal.
  • the correction signal generating unit In order for the correction signal generating unit to generate an appropriate correction signal (K clock), the correction signal generating unit needs to properly grasp the nonlinearity of the first interference signal received by the first photodetector 113. For this purpose, it is preferable to match the characteristics (nonlinearity) of the first interference signal and the second interference signal.
  • the optical path length of the first optical fiber 131 and the optical path length of the second optical fiber 132 are appropriately set.
  • the lengths of the first optical fiber 131 and the second optical fiber 132 arranged in the optical fiber cable 130 are preferably set so that the first optical path length from when light is projected from the wavelength swept light source 111 until the first interference signal is received by the first photodetector 113 is approximately the same as the second optical path length from when light is projected from the wavelength swept light source 111 until the light is received by the second photodetector 115.
  • the first optical fiber 131 and the second optical fiber 132 are arranged in the optical fiber cable 130 so that the first optical path length through the main interferometer 112 and the second optical path length through the sub-interferometer 114 are approximately the same. Therefore, even if the sensor head 120 (including the optical fiber) connected to the main interferometer 112 is replaced, or the optical fiber connecting the main interferometer 112 and the sensor head 120 is replaced, the optical fiber connected to the sub-interferometer 114 can also be properly replaced. As a result, the nonlinearity of the wavelength during the sweep of the wavelength swept light source 111 can be properly corrected, and the measurement object T can be measured with high accuracy.
  • FIG. 11 is a diagram showing a state in which the optical fiber cable 130 is detachably attached to the controller 110. As shown in Fig. 11, a first optical connector C11 and a second optical connector C12 are provided on the controller 110 side, and a first optical connector C31 and a second optical connector C32 are provided on the optical fiber cable 130 side.
  • the first optical connector C11 is the end of the optical fiber connected to the main interferometer 112
  • the second optical connector C12 is the end of the optical fiber connected to the sub-interferometer 114.
  • the first optical connector C31 on the optical fiber cable 130 side is connected to the first optical connector C11 on the controller 110 side, thereby connecting the main interferometer 112 and the first optical fiber 131.
  • the second optical connector C32 on the optical fiber cable 130 side is connected to the second optical connector C12 on the controller 110 side, thereby connecting the secondary interferometer 114 and the second optical fiber 132.
  • the first optical connector C11 and second optical connector C12 on the controller 110 side and the first optical connector C31 and second optical connector C32 on the optical fiber cable 130 side make it easy to replace the optical fiber connected to the sensor head 120, and also to properly replace the optical fiber connected to the secondary interferometer 114.
  • Fig. 12 is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 101, showing the specific configurations of the main interferometer 112 and the sub interferometer 114.
  • the main interferometer 112 includes an optical coupler 112a
  • the sub interferometer 114 includes a first optical coupler 114a, a second optical coupler 114b, and a circulator 114c.
  • the main interferometer 112 is supplied with light projected from the wavelength swept light source 111, which propagates through the first optical fiber 131 of the optical fiber cable 130 via the optical coupler 112a and is then supplied to the sensor head 120.
  • the return light from the sensor head 120 (a first interference signal between the measurement light and the reference light) propagates through the first optical fiber 131 and is guided to the first photodetector 113 via the optical coupler 112a.
  • the remaining port of the optical coupler 112a may be connected to an optical fiber with a coreless fiber termination or to an attenuator.
  • the secondary interferometer 114 In the secondary interferometer 114, light projected from the wavelength swept light source 111 is supplied and split by the first optical coupler 114a into two beams of light that follow optical paths of different optical path lengths, and then the two beams are combined by the second optical coupler 114b to generate a second interference signal based on the optical path length difference.
  • the second interference signal propagates through the second optical fiber 132 of the optical fiber cable 130 via the circulator 114c, is reflected by the reflector 133, propagates again through the second optical fiber 132, and is guided to the second photodetector 115 via the circulator 114c.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 102, showing another specific configuration of the main interferometer 112 and the sub-interferometer 114.
  • the main interferometer 112 includes an optical coupler 112a
  • the sub-interferometer 114 includes a first optical coupler 114a, a second optical coupler 114b, and a third optical coupler 114d.
  • the optical interferometer sensor 102 shown in FIG. 13 differs from the optical interferometer sensor 101 shown in FIG. 12 in that a third optical coupler 114d is arranged in the sub-interferometer 114 instead of the circulator 114c.
  • the light projected from the wavelength swept light source 111 is supplied and split by the first optical coupler 114a into two lights that follow optical paths of different optical path lengths, and then the two lights are combined by the second optical coupler 114b to generate a second interference signal based on the optical path length difference.
  • the second interference signal propagates through the second optical fiber 132 of the optical fiber cable 130 via the third optical coupler 114d, is reflected by the reflecting portion 133, propagates again through the second optical fiber 132, and is guided to the second photodetector 115 via the third optical coupler 114d.
  • the remaining port of the third optical coupler 114d may be connected to an optical fiber with a coreless fiber termination, or to an attenuator.
  • Fig. 14 is a schematic diagram showing a specific configuration of the reflecting portion 133 in the optical fiber cable 130.
  • the reflecting portion 133 is formed at the end of the second optical fiber 132, and the reflecting portion 133 can be (A) a non-penetrating type in which the reflecting portion 133 is formed inside the optical fiber cable 130, or (B) a penetrating type in which the reflecting portion 133 is formed outside the optical fiber cable 130.
  • the reflecting portion 133 is formed inside the optical fiber cable 130, which has the advantage that the reflecting portion 133 is not easily damaged and is appropriately protected.
  • the reflecting portion 133 is formed outside the optical fiber cable 130, which has the advantage that it is easy to adjust the optical path length of the second optical fiber 132 to match the optical path length of the first optical fiber 131.
  • the connection be formed outside the optical fiber cable 130 and configured as, for example, a reflective coating of about 1% to suppress reflection of the propagating light.
  • the optical fiber cable 130 includes a first optical fiber 131 connected to the main interferometer 112 and a second optical fiber 132 connected to the sub-interferometer 114, and the optical path length of the first optical fiber 131 and the optical path length of the second optical fiber 132 are set so that the first optical path length through the main interferometer 112 and the second optical path length through the sub-interferometer 114 are approximately the same.
  • This makes it possible to connect an appropriate second optical fiber 132 to the sub-interferometer 114 in accordance with the first optical fiber 131 connected to the main interferometer 112. As a result, the nonlinearity of the wavelength sweep can be appropriately corrected to measure the measurement object with high accuracy.
  • the optical fiber cable 130 has a reflecting portion 133 formed at the end of the second optical fiber 132.
  • the configuration of the second optical fiber 132 is not limited to this.
  • a folded portion may be formed instead of the reflecting portion 133.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 103, showing the specific configuration of the main interferometer 112 and the sub-interferometer 114 when an optical fiber cable 130 is used in which a folded portion 134 is formed in the second optical fiber 132.
  • the main interferometer 112 includes an optical coupler 112a
  • the sub-interferometer 114 includes a first optical coupler 114a and a second optical coupler 114b.
  • the optical interferometer sensor 103 shown in FIG. 15 differs from the optical interferometer sensor 101 shown in FIG. 12 and the optical interferometer sensor 102 shown in FIG. 13 in that the circulator 114c and the third optical coupler 114d are not arranged in the secondary interferometer 114.
  • the secondary interferometer 114 In the secondary interferometer 114, light projected from the wavelength swept light source 111 is supplied and split by the first optical coupler 114a into two beams of light that follow optical paths of different optical path lengths, and then the two beams are combined by the second optical coupler 114b to generate a second interference signal based on the optical path length difference.
  • the second interference signal propagates through the second optical fiber 132 of the optical fiber cable 130, passes through the return section 134, and returns to the secondary interferometer 114 and is guided to the second photodetector 115.
  • the optical interferometer distance measuring sensor 103 may be provided with an optical connector connecting the controller 110 side to the optical fiber cable 130 side to form an optical path output from the sub-interferometer 114 to the optical fiber cable 130, and an optical connector connecting the controller 110 side to the optical fiber cable 130 side to form an optical path returning from the optical fiber cable 130 to the sub-interferometer 114.
  • the second optical fiber 132 is configured to have a folded portion 134, but this is not limited to the above, as long as the second optical fiber 132 is formed and arranged so that the first optical path length passing through the main interferometer 112 and the second optical path length passing through the sub-interferometer 114 are set to be approximately the same.
  • the second optical fiber 132 may be arranged in a spiral shape, a bellows shape, or so as to circle around inside the optical fiber cable 130.
  • optical fiber cable 130 may include multiple second optical fibers connected to the secondary interferometer 114.
  • 16 is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 104, showing the specific configuration of the main interferometer 112 and the sub-interferometer 114 when using an optical fiber cable 130 having a plurality of second optical fibers connected to the sub-interferometer 114.
  • the main interferometer 112 has an optical coupler 112a
  • the sub-interferometer 114 has a first optical coupler 114a, a second optical coupler 114b, and a third optical coupler 114d.
  • the optical fiber cable 130 has a first optical fiber 131 connected to the main interferometer 112, and second optical fibers 132a and 132b connected to the sub-interferometer 114, and reflectors 133a and 133b are formed at the ends of the second optical fibers 132a and 132b, respectively.
  • the two ports of the third optical coupler 114d in the sub-interferometer 114 are respectively connected to the second optical fibers 132a and 132b of the optical fiber cable 130.
  • the secondary interferometer 114 In the secondary interferometer 114, light projected from the wavelength swept light source 111 is supplied and split by the first optical coupler 114a into two beams of light that follow optical paths of different optical path lengths, and then the two beams are combined by the second optical coupler 114b to generate a second interference signal based on the optical path length difference.
  • the second interference signal is branched by the third optical coupler 114d, propagates through the second optical fibers 132a and 132b of the optical fiber cable 130, and is reflected by the reflectors 133a and 133b.
  • the second interference signals reflected by the reflectors 133a and 133b propagate again through the second optical fibers 132a and 132b, and are guided to the second photodetector 115 via the third optical coupler 114d.
  • the second interference signal that has propagated through either the optical path of the second optical fiber 132a or 132b is selected, and the first interference signal that has been generated by the main interferometer 112 and received by the first photodetector 113 is appropriately linearized.
  • the second optical path length passing through the sub-interferometer 114 can be appropriately selected to accommodate the change.
  • optical interferometric distance measuring sensors 100 to 104 have been described above as single-channel, this is not limited to this.
  • the light emitted from the wavelength swept light source 111 may be branched in the main interferometer 112 using multiple optical couplers or the like to configure a multi-stage optical interferometric distance measuring sensor.
  • the present invention can also be applied to a multi-stage optical interferometric distance measuring sensor.
  • FIG. 17 is a schematic diagram of the optical interferometer distance measuring sensor 105, showing the specific configuration of the main interferometer 112 and the sub-interferometer 114 when a main interferometer 112 having a multi-stage optical path is used.
  • the main interferometer 112 has three optical paths by including a first-stage optical coupler 112a to a third-stage optical coupler 112c, and also includes a first-stage photodetector 113a to a third-stage photodetector 113c.
  • the main interferometer 112 has a first-stage optical connector C11a to a third-stage optical connector C11c for connecting the three optical paths to the optical fiber cable 130, respectively.
  • the secondary interferometer 114 may have a configuration similar to that of the optical interferometer distance measuring sensor 101 shown in FIG. 12, and includes a second optical connector C12 for connecting to the optical fiber cable 130.
  • the optical fiber cable 130 has three first optical fibers 131a-131c and one second optical fiber 132, and further has three first optical connectors C31a-C31c and one second optical connector C32 for connecting to the controller 110.
  • the three first optical connectors C11a to C11c on the controller 110 side are connected to the three first optical connectors C31a to C31c on the optical fiber cable 130 side, and the second optical connector C12 on the controller 110 side is connected to the second optical connector C32 on the optical fiber cable 130 side.
  • the first interference signal generated in each of the three optical paths in the main interferometer 112 is received by the first stage photodetector 113a to the third stage photodetector 113c, and the processing unit 116 calculates the distance to the measurement object T while correcting the first interference signal based on the second interference signal generated by the sub-interferometer 114.
  • the first interference signal generated by the main interferometer 112 is linearized using a K clock (correction signal generating unit) based on the second interference signal generated by the sub-interferometer 114, but the present invention is not limited to this.
  • the first interference signal may be linearized using software processing, such as extracting data corresponding to the zero-crossing points of the second interference signal generated by the sub-interferometer 114 from the first interference signal generated by the main interferometer 112, or extracting data corresponding to equal division points of the continuous phase of the second interference signal.
  • the optical interferometer distance measuring sensors 100 to 105 use a Fizeau-type interferometer in the main interferometer 112 (including the optical fiber cable 130 and the sensor head 120) that generates reference light by using the tip of the optical fiber as a reference surface, but the interferometer is not limited to this.
  • FIG. 18 shows a variation of an interferometer that generates interference light using measurement light and reference light.
  • interference light is generated based on the optical path length difference between the reference light, whose reference surface is the tip (end face) of the optical fiber, and the measurement light that is irradiated from the sensor head and reflected by the measurement target T.
  • This is the configuration of the main interferometer 112 of the optical interferometer distance measuring sensors 100 to 105 according to the above-mentioned embodiment (Fizeau interferometer), and the reference surface may be configured to reflect light due to the difference in refractive index between the optical fiber and air (Fresnel reflection).
  • a reflective film may be coated on the tip of the optical fiber, or an anti-reflective coating may be applied to the tip of the optical fiber and a separate reflective surface such as a lens surface may be disposed on the tip of the optical fiber.
  • a measurement optical path Lm that guides measurement light to the measurement object T and a reference optical path Lr that guides reference light are formed, and a reference surface is disposed at the end of the reference optical path Lr (Michelson interferometer).
  • the reference surface may be formed by coating the tip of an optical fiber with a reflective film, or the tip of the optical fiber may be coated with an anti-reflective coating and a mirror or the like disposed separately. In this configuration, interference light is generated by providing an optical path length difference between the optical path length of the measurement optical path Lm and the optical path length of the reference optical path Lr.
  • a measurement optical path Lm that guides measurement light to the measurement object T and a reference optical path Lr that guides reference light are formed, and a balance detector is disposed in the reference optical path Lr (Mach-Zehnder interferometer).
  • interference light is generated by providing an optical path length difference between the measurement optical path Lm and the reference optical path Lr.
  • the main interferometer is not limited to the Fizeau interferometer described in the embodiment, but may be, for example, a Michelson interferometer or a Mach-Zehnder interferometer. Any interferometer may be applied as long as interference light can be generated by setting the optical path length difference between the measurement light and the reference light, or a combination of these or other configurations may be applied.
  • measurement processing unit 4 0...optical fiber, 51...wavelength sweep light source, 52...optical amplifier, 53, 53a to 53b...isolator, 54, 54a to 54e...optical coupler, 55...attenuator, 56a to 56c...light receiving element, 58...AD conversion unit, 59...processing unit, 60...balanced detector, 61...correction signal generation unit, 71a to 71e...light receiving element, 72a to 72c...amplification circuit, 74a to 74c...AD conversion unit, 75...processing unit, 76...differential amplification circuit, 77...correction signal signal generating unit, 100 to 105... optical interferometer distance measuring sensor, 110... controller, 111... wavelength swept light source, 112...
  • main interferometer 112a to 112c... optical coupler, 113, 113a to 113c... first photodetector (light receiving unit), 114... secondary interferometer, 114a, 114b, 114d... optical coupler, 114c... circulator, 115... second photodetector (light receiving unit), 116... processing unit, 120, 120a to 120c...
  • sensor sensor head 130...optical fiber cable, 131, 131a to 131c...first optical fiber, 132, 132a, 132b...second optical fiber, 133, 133a, 133b...reflection section, 134...folding section, C11, C11a to C11c...first optical connector, C12...second optical connector, C31, C31a to C31c...first optical connector, C32...second optical connector, Lm...measurement optical path, Lr...reference optical path, T...measurement object

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Abstract

主干渉計に接続される第１光ファイバに対応して、適切な第２光ファイバを副干渉計に接続可能な光ファイバケーブル、それに接続されるコントローラ及びそれらを用いた光干渉測距センサを提供する。光ファイバケーブル１３０は、主干渉計１１２から入力された光をセンサヘッド１２０に導くとともに、当該センサヘッド１２０からの光を当該主干渉計１１２に出力する第１光ファイバ１３１と、副干渉計１１４から入力された光を伝搬させて当該副干渉計１１４に出力する第２光ファイバ１３２と、を備え、第１光ファイバ１３１の光路長及び第２光ファイバ１３２の光路長は、主干渉計１１２を経由する第１光路長と、副干渉計１１４を経由する第２光路長とが略同一となるように設定される。

Description

光ファイバケーブル、それに接続されるコントローラ及びそれらを用いた光干渉測距センサ
　本発明は、光ファイバケーブル、それに接続されるコントローラ及びそれらを用いた光干渉測距センサに関する。
　近年、非接触で計測対象物までの距離を計測する光測距センサが普及している。例えば、光測距センサとして、波長掃引光源から投光される光から、参照光と測定光とに基づく干渉光を生成し、当該干渉光に基づいて計測対象物までの距離を計測する光干渉測距センサが知られている。
　このような光干渉測距センサでは、干渉計の出力信号に対して波長掃引の非線形を補正する線形化処理が行われる。例えば、特許文献１に記載されている光周波数領域反射測定装置では、遅延時間差を与えて干渉させ補助干渉信号を出力する補助干渉計、及び異なる遅延時間を持つ複数の線形化部を有し、補助干渉信号を用いて測定干渉信号に対して、波長掃引の非線形を補正している。
特開２０１７－１８１１１５号公報
　ところで、波長掃引光源を用いて計測対象物を計測する光干渉測距センサにおいて、センサヘッドに繋がる光ファイバには、様々な長さや種類のものがあり、使用状況に応じてユーザがその長さや種類を選択し、付け替えたりする場合がある。この場合、特許文献１に記載されている光周波数領域反射測定装置では、測定干渉信号を生成する主干渉計での光路長（ユーザによって付け替えられた光ファイバ）に応じて、補助干渉信号を生成する補助干渉計での光路長を調整しなければ、波長掃引の非線形を適切に補正できない。
　すなわち、例えば、ユーザによって主干渉計での光路長が変更された場合、それに応じて補助干渉計での光路長も調整しなければならず、特許文献１では、このような状況への対策に関して考慮されていない。
　そこで、本発明は、主干渉計に接続される第１光ファイバに対応して、適切な第２光ファイバを副干渉計に接続可能な光ファイバケーブル、それに接続されるコントローラ及びそれらを用いた光干渉測距センサを提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る光ファイバケーブルは、波長掃引光源を用いて計測対象物を計測するための第１干渉信号を生成する主干渉計と、第１干渉信号の非線形性を補正するための第２干渉信号を生成する副干渉計とを有する光干渉測距センサに用いられる光ファイバケーブルであって、主干渉計に接続されることで当該主干渉計から入力された光をセンサヘッドに導くとともに、当該センサヘッドからの光を当該主干渉計に出力する第１光ファイバと、副干渉計に接続されることで当該副干渉計から入力された光を伝搬させて当該副干渉計に出力する第２光ファイバと、を備え、第１光ファイバの光路長及び第２光ファイバの光路長は、波長掃引光源から投光されてから主干渉計における受光部で受光されるまでの第１光路長と、波長掃引光源から投光されてから副干渉計における受光部で受光されるまでの第２光路長とが略同一となるように設定される。
　この態様によれば、主干渉計に接続される第１光ファイバと、副干渉計に接続される第２光ファイバとを備え、第１光ファイバの光路長及び第２光ファイバの光路長は、主干渉計を経由する第１光路長と副干渉計を経由する第２光路長とが略同一となるように設定されているため、主干渉計に接続される第１光ファイバに対応して、副干渉計に適切な第２光ファイバを接続することができる。その結果、波長掃引の非線形を適切に補正して、高精度に計測対象物を計測することができる。
　上記態様において、第２光ファイバには、当該第２光ファイバを伝搬する光を反射させる反射部が構成されてもよい。
　この態様によれば、反射部で反射する光の光路長を具体的に考慮して、第１光ファイバに対応する適切な第２光ファイバを設定することができる。
　上記態様において、反射部は、当該光ファイバケーブルの内部に配置されてもよい。
　この態様によれば、光ファイバケーブルの内部に反射部が形成されるため、当該反射部は破損し難く適切に保護される。
　上記態様において、反射部は、当該光ファイバケーブルの外部に配置されもよい。
　この態様によれば、光ファイバケーブルの外部に反射部が形成されるため、第２光ファイバの光路長を調整し易く、第１光ファイバに対応する適切な第２光ファイバを設定することができる。
　本発明の一態様に係るコントローラは、計測対象物に光を照射するセンサヘッドに、光ファイバケーブルを介して接続されるコントローラであって、波長を変化させながら光を投光する光源と、光源から投光された光が供給され、センサヘッドにより計測対象物に照射して反射される測定光と、測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく第１干渉信号を生成する主干渉計と、光源から投光された光が供給され、異なる光路長の光路を辿る２つの光に基づいて第２干渉信号を生成する副干渉計と、第２干渉信号に基づいて第１干渉信号を補正しつつ、センサヘッドから計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備え、光ファイバケーブルは、主干渉計に接続されることで当該主干渉計から入力された光をセンサヘッドに導くとともに、当該センサヘッドからの光を当該主干渉計に出力する第１光ファイバと、副干渉計に接続されることで当該副干渉計から入力された光を伝搬させて当該副干渉計に出力する第２光ファイバと、を備え、第１光ファイバの光路長及び第２光ファイバの光路長は、光源から投光されてから主干渉計における受光部で受光されるまでの第１光路長と、光源から投光されてから副干渉計における受光部で受光されるまでの第２光路長とが略同一となるように設定される。
　この態様によれば、主干渉計に接続される第１光ファイバと、副干渉計に接続される第２光ファイバとを備え、第１光ファイバの第１光路長と、第２光ファイバの第２光路長とが略同一となるように設定されているため、主干渉計に接続される第１光ファイバに対応して、副干渉計に適切な第２光ファイバを接続することができる。その結果、コントローラは、第１光ファイバ及び第２光ファイバを備えた光ファイバケーブルに接続することができ、波長掃引の非線形を適切に補正して、高精度に計測対象物を計測することができる。
　本発明の一態様に係る光干渉測距センサは、波長掃引光源を用いて計測対象物を計測するコントローラ、及びコントローラと計測対象物に光を照射するセンサヘッドとを接続する光ファイバケーブルを有する光干渉測距センサであって、コントローラは、波長を変化させながら光を投光する光源と、光源から投光された光が供給され、センサヘッドにより計測対象物に照射して反射される測定光と、測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく第１干渉信号を生成する主干渉計と、光源から投光された光が供給され、異なる光路長の光路を辿る２つの光に基づいて第２干渉信号を生成する副干渉計と、第２干渉信号に基づいて第１干渉信号を補正しつつ、センサヘッドから計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備え、光ファイバケーブルは、主干渉計に接続されることで当該主干渉計から入力された光をセンサヘッドに導くとともに、当該センサヘッドからの光を当該主干渉計に出力する第１光ファイバと、副干渉計に接続されることで当該副干渉計から入力された光を伝搬させて当該副干渉計に出力する第２光ファイバと、を備え、第１光ファイバの光路長及び第２光ファイバの光路長は、光源から投光されてから主干渉計における受光部で受光されるまでの第１光路長と、光源から投光されてから副干渉計における受光部で受光されるまでの第２光路長とが略同一となるように設定される。
　この態様によれば、主干渉計に接続される第１光ファイバと、副干渉計に接続される第２光ファイバとを備え、第１光ファイバの第１光路長と、第２光ファイバの第２光路長とが略同一となるように設定されているため、主干渉計に接続される第１光ファイバに対応して、副干渉計に適切な第２光ファイバを接続することができる。その結果、第１光ファイバ及び第２光ファイバを備えた光ファイバケーブルを用いて、波長掃引の非線形を適切に補正して、高精度に計測対象物を計測する光干渉測距センサを実現することができる。
　本発明によれば、主干渉計に接続される第１光ファイバに対応して、適切な第２光ファイバを副干渉計に接続可能な光ファイバケーブル、それに接続されるコントローラ及びそれらを用いた光干渉測距センサを提供することができる。
本開示に係る変位センサ１０の概要を示す外観模式図である。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。 本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１の概要を示す機能ブロック図である。 本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明するための図である。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される別の原理を説明するための図である。 センサヘッド２０の概略構成を示す斜視図である。 センサヘッド２０の内部構造を示す模式図である。 コントローラ３０における信号処理について説明するためのブロック図である。 コントローラ３０における処理部５９によって実行される、計測対象物Ｔまでの距離を算出する方法を示すフローチャートである。 波形信号（電圧ｖｓ時間）がスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換される様子を示す図である。 スペクトル（電圧ｖｓ周波数）がスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換される様子を示す図である。 スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークを検出し、それに対応する距離値が算出される様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光干渉測距センサ１００の構成概要を示す模式図である。 光ファイバケーブル１３０がコントローラ１１０に着脱可能である様子を示す図である。 主干渉計１１２及び副干渉計１１４の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０１の構成概要図である。 主干渉計１１２及び副干渉計１１４の他の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０１の構成概要図である。 光ファイバケーブル１３０における反射部１３３の具体的な構成を示す模式図である。 第２光ファイバ１３２に折り返し部１３４が形成された光ファイバケーブル１３０を用いた場合における、主干渉計１１２及び副干渉計１１４の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０３の構成概要図である。 副干渉計１１４と接続される第２光ファイバを複数備えた光ファイバケーブル１３０を用いた場合における、主干渉計１１２及び副干渉計１１４の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０４の構成概要図である。 多段式の光路が設けられた主干渉計１１２を用いた場合における、主干渉計１１２及び副干渉計１１４の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０５の構成概要図である。 測定光と参照光とを用いて干渉光を発生させる干渉計のバリエーションを示す図である。
　以下、本発明の好適な各実施形態について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する各実施形態は、あくまで、本発明を実施するための具体的な一例を挙げるものであって、本発明を限定的に解釈させるものではない。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する場合がある。
［変位センサの概要］
　先ず、本開示に係る変位センサの概要について説明する。
　図１は、本開示に係る変位センサ１０の概要を示す外観模式図である。図１に示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０とコントローラ３０とを備え、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を計測する。
　センサヘッド２０とコントローラ３０とは、光ファイバ４０で接続されており、センサヘッド２０には対物レンズ２１が取り付けられている。また、コントローラ３０は、表示部３１と、設定部３２と、外部インタフェース（Ｉ／Ｆ）部３３と、光ファイバ接続部３４と、外部記憶部３５とを含み、さらに、内部には、計測処理部３６を有する。
　センサヘッド２０は、コントローラ３０から出力される光を計測対象物Ｔに照射し、当該計測対象物Ｔからの反射光を受光する。センサヘッド２０は、コントローラ３０から出力されて光ファイバ４０を介して受光した光を反射させ、上述した計測対象物Ｔからの反射光と干渉させるための参照面を、内部に有している。
　なお、センサヘッド２０には対物レンズ２１が取り付けられているが、当該対物レンズ２１は着脱可能な構成となっている。対物レンズ２１は、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの距離に応じて、適切な焦点距離を有する対物レンズに交換可能であって、又は可変焦点の対物レンズを適用してもよい。
　さらに、センサヘッド２０を設置する際には、ガイド光（可視光）を計測対象物Ｔに照射して、当該変位センサ１０の計測領域内に計測対象物Ｔが適切に位置するようにセンサヘッド２０及び／又は計測対象物Ｔを設置してもよい。
　光ファイバ４０は、コントローラ３０に配置される光ファイバ接続部３４に接続されて延伸し、当該コントローラ３０とセンサヘッド２０とを接続する。これにより、光ファイバ４０は、コントローラ３０から投光される光をセンサヘッド２０に導き、さらに、センサヘッド２０からの戻り光をコントローラ３０へ導くように構成されている。なお、光ファイバ４０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０に着脱可能であって、長さ、太さ及び特性等において種々の光ファイバを適用することができる。
　表示部３１は、例えば、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイ等で構成される。表示部３１には、変位センサ１０の設定値、センサヘッド２０からの戻り光の受光量、及び変位センサ１０によって計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）等の計測結果が表示される。
　設定部３２は、例えば、機械式ボタンやタッチパネル等をユーザが操作することによって、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定が行われる。これらの必要な設定の全部又は一部は、予め設定されていてもよいし、外部Ｉ／Ｆ部３３に接続された外部接続機器（図示せず）から設定されてもよい。また、外部接続機器は、ネットワークを介して有線又は無線で接続されていてもよい。
　ここで、外部Ｉ／Ｆ部３３は、例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、ＲＳ２３２Ｃ、及びアナログ出力等で構成される。外部Ｉ／Ｆ部３３には、他の接続機器に接続されて当該外部接続機器から必要な設定が行われたり、変位センサ１０によって計測された計測結果等を外部接続機器に出力したりしてもよい。
　また、コントローラ３０が外部記憶部３５に記憶されたデータを取り込むことにより、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定が行われてもよい。外部記憶部３５は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）メモリ等の補助記憶装置であって、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定等が予め記憶されている。
　コントローラ３０における計測処理部３６は、例えば、連続的に波長を変化させながら光を投光する波長掃引光源、センサヘッド２０からの戻り光を受光して電気信号に変換する受光素子、及び電気信号を処理する信号処理回路等を含む。計測処理部３６では、センサヘッド２０からの戻り光に基づいて、最終的には、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が算出されるように制御部及び記憶部等を用いて様々な処理がなされている。これらの処理についての詳細は後述する。
　図２は、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。図２に示されるように、当該手順は、ステップＳ１１～Ｓ１４を含む。
　ステップＳ１１では、センサヘッド２０を設置する。例えば、センサヘッド２０から計測対象物Ｔにガイド光を照射して、それを参考にして、センサヘッド２０を適切な位置に設置する。
　具体的には、コントローラ３０における表示部３１に、センサヘッド２０からの戻り光の受光量を表示し、ユーザは、当該受光量を確認しながら、センサヘッド２０の向き及び計測対象物Ｔとの距離（高さ位置）等を調整してもよい。基本的には、センサヘッド２０からの光を計測対象物Ｔに対して垂直に（より垂直に近い角度で）照射できれば、当該計測対象物Ｔからの反射光の光量が大きく、センサヘッド２０からの戻り光の受光量も大きくなる。
　また、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの距離に応じて、適切な焦点距離を有する対物レンズ２１に交換してもよい。
　さらに、計測対象物Ｔを計測するに際して適切な設定ができない場合（例えば、計測に必要な受光量を得られない、又は対物レンズ２１の焦点距離が不適切である等）には、エラー又は設定未完了等を、表示部３１に表示したり、外部接続機器に出力したりして、ユーザに通知するようにしてもよい。
　ステップＳ１２では、計測対象物Ｔを計測するに際して種々の計測条件を設定する。例えば、センサヘッド２０が有する固有の校正データ（線形性を補正する関数等）を、ユーザがコントローラ３０における設定部３２を操作することによって設定する。
　また、各種パラメータを設定してもよい。例えば、サンプリング時間、計測範囲、及び計測結果を正常とするか異常とするかの閾値等が設定される。さらに、計測対象物Ｔの反射率及び材質等の計測対象物Ｔの特性に応じて測定周期が設定され、及び計測対象物Ｔの材質に応じた測定モード等が設定されるようにしてもよい。
　なお、これらの計測条件及び各種パラメータの設定は、コントローラ３０における設定部３２を操作することによって設定されるが、外部接続機器から設定されてもよいし、外部記憶部３５からデータを取り込むことによって設定されてもよい。
　ステップＳ１３では、ステップＳ１１で設置されたセンサヘッド２０で、ステップＳ１２で設定された計測条件及び各種パラメータに従って、計測対象物Ｔを計測する。
　具体的には、コントローラ３０の計測処理部３６において、波長掃引光源から光が投光され、センサヘッド２０からの戻り光を受光素子で受光し、信号処理回路によって周波数解析、距離変換及びピーク検出等がなされて、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が算出される。具体的な計測処理についての詳細は、後述する。
　ステップＳ１４では、ステップＳ１３で計測された計測結果を出力する。例えば、ステップＳ１３で計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）等を、コントローラ３０における表示部３１に表示したり、外部接続機器に出力したりする。
　また、ステップＳ１３で計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が、ステップＳ１２で設定された閾値に基づいて、正常の範囲内であるか異常かについても計測結果として表示又は出力されてもよい。さらに、ステップＳ１２で設定された計測条件、各種パラメータ及び測定モード等も共に表示又は出力されてもよい。
［変位センサを含むシステムの概要］
　図３は、本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１の概要を示す機能ブロック図である。図３に示されるように、センサシステム１は、変位センサ１０と、制御機器１１と、制御信号入力用センサ１２と、外部接続機器１３とを備える。なお、変位センサ１０は、制御機器１１及び外部接続機器１３とは、例えば、通信ケーブル又は外部接続コード（例えば、外部入力線、外部出力線及び電源線等を含む）で接続され、制御機器１１と制御信号入力用センサ１２とは信号線で接続される。
　変位センサ１０は、図１及び図２を用いて説明したように、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を計測する。そして、変位センサ１０は、その計測結果等を制御機器１１及び外部接続機器１３に出力してもよい。
　制御機器１１は、例えば、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）であって、変位センサ１０が計測対象物Ｔを計測するに際して、当該変位センサ１０に対して各種の指示を与える。
　例えば、制御機器１１は、制御機器１１に接続された制御信号入力用センサ１２からの入力信号に基づいて、測定タイミング信号を変位センサ１０に出力してもよいし、ゼロリセット命令信号（現在の計測値を０に設定するための信号）等を変位センサ１０に出力してもよい。
　制御信号入力用センサ１２は、変位センサ１０が計測対象物Ｔを計測するタイミングを指示するオン／オフ信号を、制御機器１１に出力する。例えば、制御信号入力用センサ１２は、計測対象物Ｔが移動する生産ラインの近傍に設置され、計測対象物Ｔが所定の位置に移動してきたことを検知して、制御機器１１にオン／オフ信号を出力すればよい。
　外部接続機器１３は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）であって、ユーザが操作することによって、変位センサ１０に対して様々な設定を行うことができる。
　具体例としては、測定モード、動作モード、測定周期、及び計測対象物Ｔの材質等が設定される。
　測定モードの設定として、制御機器１１内部で周期的に計測開始する「内部同期計測モード」、又は制御機器１１外部からの入力信号に応じて計測開始する「外部同期計測モード」等が選択される。
　動作モードの設定として、実際に計測対象物Ｔを計測する「運転モード」、又は計測対象物Ｔを計測するための計測条件を設定する「調整モード」等が選択される。
　測定周期は、計測対象物Ｔを測定する周期であり、計測対象物Ｔの反射率に応じて設定すればよいが、仮に、計測対象物Ｔの反射率が低い場合であっても、測定周期を長くして適切に測定周期を設定すれば、計測対象物Ｔを適切に測定することができる。
　計測対象物Ｔについて、反射光の成分として拡散反射が比較的多い場合に適した「粗面モード」、反射光の成分として鏡面反射が比較的多い場合に適した「鏡面モード」、又はこれらの中間的な「標準モード」等が選択される。
　このように、計測対象物Ｔの反射率及び材質に応じて、適切な設定を行うことによって、より高精度に計測対象物Ｔを計測することができる。
　図４は、本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。図４に示されるように、当該手順は、上述した外部同期計測モードの場合の手順であって、ステップＳ２１～Ｓ２４を含む。
　ステップＳ２１では、センサシステム１は、計測される対象である計測対象物Ｔを検知する。具体的には、制御信号入力用センサ１２は、生産ライン上において、計測対象物Ｔが所定の位置に移動してきたことを検知する。
　ステップＳ２２では、センサシステム１は、ステップＳ２１で検知された計測対象物Ｔを変位センサ１０によって計測するように計測指示する。具体的には、制御信号入力用センサ１２は、制御機器１１にオン／オフ信号を出力することにより、ステップＳ２１で検知された計測対象物Ｔを測定するタイミングを指示し、制御機器１１は、当該オン／オフ信号に基づいて、変位センサ１０に測定タイミング信号を出力して、計測対象物Ｔを計測するように計測指示する。
　ステップＳ２３では、変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される。具体的には、変位センサ１０は、ステップＳ２２で受け取った計測指示に基づいて、計測対象物Ｔを計測する。
　ステップＳ２４では、センサシステム１は、ステップＳ２３で計測された計測結果を出力する。具体的には、変位センサ１０は、計測処理の結果を、表示部３１に表示したり、外部Ｉ／Ｆ部３３を経由して制御機器１１又は外部接続機器１３等に出力したりする。
　なお、ここでは、図４を用いて、制御信号入力用センサ１２によって計測対象物Ｔが検知されることにより計測対象物Ｔを計測する外部同期計測モードの場合についての手順を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、内部同期計測モードの場合は、ステップＳ２１及びＳ２２に代わって、予め設定された周期に基づいて測定タイミング信号が生成されることにより、計測対象物Ｔを計測するように変位センサ１０に指示する。
　次に、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明する。
　図５Ａは、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明するための図である。図５Ａに示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０を備える。センサヘッド２０は、対物レンズ２１と、複数のコリメートレンズ２２ａ～２２ｃとを含み、コントローラ３０は、波長掃引光源５１と、光増幅器５２と、複数のアイソレータ５３及び５３ａ～５３ｂと、複数の光カプラ５４及び５４ａ～５４ｅと、減衰器５５と、複数の受光素子（例えば、フォトディテクタ（ＰＤ））５６ａ～５６ｃと、複数の増幅回路５７ａ～５７ｃと、複数のアナログデジタル（ＡＤ）変換部（例えば、アナログデジタルコンバータ）５８ａ～５８ｃと、処理部（例えば、プロセッサ）５９と、バランスディテクタ６０と、補正信号生成部６１とを含む。
　波長掃引光源５１は、波長を掃引したレーザ光を投光する。波長掃引光源５１としては、例えば、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）を電流で変調する方式を適用すれば、共振器長が短いためにモードホップを起こしにくく、波長を変化させることが容易であり、低コストで実現することができる。
　光増幅器５２は、波長掃引光源５１から投光される光を増幅する。光増幅器５２は、例えば、ＥＤＦＡ（ｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を適用し、例えば、１５５０ｎｍ専用の光増幅器であってもよい。
　アイソレータ５３は、入射した光を一方向に透過させる光学素子であって、戻り光によって発生するノイズの影響を防ぐために、波長掃引光源５１の直後に配置されてもよい。
　このように、波長掃引光源５１から投光された光は、光増幅器５２によって増幅され、アイソレータ５３を介して、光カプラ５４によって主干渉計と副干渉計とに分岐される。例えば、光カプラ５４では、主干渉計と副干渉計とに分岐する光の割合は、主干渉計側に９０％以上分岐させるようにしてもよい。
　主干渉計に分岐された光は、さらに、１段目の光カプラ５４ａによって、センサヘッド２０の方向と２段目の光カプラ５４ｂの方向とに分岐される。
　１段目の光カプラ５４ａによってセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ａ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）が参照面となり、当該参照面で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、１段目の光カプラ５４ａに戻り、その後、受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。
　１段目の光カプラ５４ａによって２段目の光カプラ５４ｂの方向に分岐された光は、アイソレータ５３ａを介して２段目の光カプラ５４ｂに向かい、当該２段目の光カプラ５４ｂによって、さらにセンサヘッド２０の方向と３段目の光カプラ５４ｃの方向とに分岐される。光カプラ５４ｂからセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、１段目と同様に、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ｂ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）が参照面となり、当該参照面で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、２段目の光カプラ５４ｂに戻り、当該光カプラ５４ｂによってアイソレータ５３ａ及び受光素子５６ｂそれぞれの方向へ分岐される。光カプラ５４ｂから受光素子５６ｂの方向へ分岐された光は、受光素子５６ｂで受光されて電気信号に変換される。一方、アイソレータ５３ａは、前段の光カプラ５４ａから後段の光カプラ５４ｂへ光を透過し、後段の光カプラ５４ｂから前段の光カプラ５４ａへの光を遮断するため、光カプラ５４ｂからアイソレータ５３ａの方向へ分岐された光は、遮断される。
　２段目の光カプラ５４ｂによって３段目の光カプラ５４ｃの方向に分岐された光は、アイソレータ５３ｂを介して３段目の光カプラ５４ｃに向かい、当該３段目の光カプラ５４ｃによって、さらにセンサヘッド２０の方向と減衰器５５の方向とに分岐される。光カプラ５４ｃからセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、１段目及び２段目と同様に、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ｃ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）が参照面となり、当該参照面で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、３段目の光カプラ５４ｃに戻り、当該光カプラ５４ｃによってアイソレータ５３ｂ及び受光素子５６ｃそれぞれの方向へ分岐される。光カプラ５４ｃから受光素子５６ｃの方向へ分岐された光は、受光素子５６ｃで受光されて電気信号に変換される。一方、アイソレータ５３ｂは、前段の光カプラ５４ｂから後段の光カプラ５４ｃへ光を透過し、後段の光カプラ５４ｃから前段の光カプラ５４ｂへの光を遮断するため、光カプラ５４ｃからアイソレータ５３ｂの方向へ分岐された光は、遮断される。
　なお、３段目の光カプラ５４ｃによってセンサヘッド２０でない方向に分岐された光は、計測対象物Ｔの計測に用いられないため、反射して戻ってこないように、例えば、ターミネータ等の減衰器５５によって減衰されるとよい。
　このように、主干渉計では、３段の光路（３チャネル）を有し、それぞれセンサヘッド２０の光ファイバの先端（端面）から計測対象物Ｔまでの距離の２倍（往復）を光路長差とした干渉計であり、それぞれ光路長差に応じた３つの干渉光を生成している。
　受光素子５６ａ～５６ｃは、上述したように主干渉計からの干渉光を受光し、当該受光した受光量に応じた電気信号を生成する。
　増幅回路５７ａ～５７ｃは、それぞれ受光素子５６ａ～５６ｃから出力される電気信号を増幅する。
　ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃは、それぞれ増幅回路５７ａ～５７ｃによって増幅された電気信号を受信して、当該電気信号に関してアナログ信号からデジタル信号に変換する（ＡＤ変換）。ここで、ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃは、副干渉計における補正信号生成部６１からの補正信号に基づいて、ＡＤ変換する。
　副干渉計では、波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性を補正するために、副干渉計にて干渉信号を取得し、Ｋクロックと呼ばれる補正信号を生成する。
　具体的には、光カプラ５４によって副干渉計に分岐された光は、光カプラ５４ｄによって、さらに分岐される。ここで、分岐された各光の光路は、例えば、光カプラ５４ｄと光カプラ５４ｅとの間において異なる長さの光ファイバを用いて光路長差を有するように構成されて、当該光路長差に応じた干渉光が光カプラ５４ｅから出力される。そして、バランスディテクタ６０は、光カプラ５４ｅからの干渉光を受光し、その逆位相の信号との差分を取ることによってノイズを除去しつつ、光信号を増幅して電気信号に変換する。
　なお、光カプラ５４ｄ及び光カプラ５４ｅは、いずれも５０：５０の割合で光を分岐すればよい。
　補正信号生成部６１は、バランスディテクタ６０からの電気信号に基づいて、波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性を把握し、当該非線形に応じたＫクロックを生成し、ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃに出力する。
　波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性から、主干渉計においてそれぞれＡＤ変換部５８ａ～５８ｃに入力されるアナログ信号の波の間隔は等間隔ではない。ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃでは、波の間隔が等間隔になるように、上述したＫクロックに基づいてサンプリング時間を補正してＡＤ変換（サンプリング）される。
　なお、Ｋクロックは、上述したように、主干渉計のアナログ信号をサンプリングするために用いられる補正信号であるため、主干渉計のアナログ信号よりも高周波に生成される必要がある。具体的には、副干渉計における光カプラ５４ｄと光カプラ５４ｅとの間で設けられた光路長差を、主干渉計における光ファイバの先端（端面）と計測対象物Ｔとの間で設けられた光路長差よりも長くしてもよいし、補正信号生成部６１で周波数を逓倍（例えば、８倍等）して高周波化してもよい。
　処理部５９は、それぞれＡＤ変換部５８ａ～５８ｃによって非線形性が補正されつつＡＤ変換されたデジタル信号を取得し、当該デジタル信号に基づいて、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を算出する。具体的には、処理部５９では、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いてデジタル信号を周波数変換し、それらを解析することによって距離が算出される。処理部５９における詳細な処理については後述する。
　なお、処理部５９では、高速処理が要求されることから、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｇａｔｅ　ａｒｒａｙ）等の集積回路で実現される場合が多い。
　また、ここでは、主干渉計において３段の光路を設けて、センサヘッド２０によってそれぞれの光路から計測対象物Ｔに対して測定光が照射され、それぞれから得られる干渉光（戻り光）に基づいて、計測対象物Ｔまでの距離等が計測される（マルチチャネル）。主干渉計におけるチャネルは、３段に限定されるものではなく、１段又は２段であってもよいし、４段以上であってもよい。
　図５Ｂは、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される別の原理を説明するための図である。図５Ｂに示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０を備える。センサヘッド２０は、対物レンズ２１と、複数のコリメートレンズ２２ａ～２２ｃとを含み、コントローラ３０は、波長掃引光源５１と、光増幅器５２と、複数のアイソレータ５３及び５３ａ～５３ｂと、複数の光カプラ５４及び５４ａ～５４ｊと、減衰器５５と、複数の受光素子（例えば、フォトディテクタ（ＰＤ））５６ａ～５６ｃと、複数の増幅回路５７ａ～５７ｃと、複数のアナログデジタル（ＡＤ）変換部（例えば、アナログデジタルコンバータ）５８ａ～５８ｃと、処理部（例えば、プロセッサ）５９と、バランスディテクタ６０と、補正信号生成部６１とを含む。図５Ｂに示された変位センサ１０は、主に、光カプラ５４ｆ～５４ｊを備えている点で、図５Ａに示された変位センサ１０の構成とは異なり、当該異なる構成による原理について、図５Ａと比較しながら詳しく説明する。
　波長掃引光源５１から投光された光は、光増幅器５２によって増幅され、アイソレータ５３を介して、光カプラ５４によって主干渉計側と副干渉計側とに分岐されるが、主干渉計側に分岐された光は、さらに、光カプラ５４ｆによって測定光と参照光とに分岐される。
　測定光は、図５Ａで説明したように、１段目の光カプラ５４ａによってコリメートレンズ２２ａ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射する。ここで、図５Ａでは、光ファイバの先端（端面）を参照面として、当該参照面で反射した光と計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されていたが、図５Ｂでは、光が反射する参照面を設けていない。すなわち、図５Ｂでは、図５Ａのように参照面で反射する光が発生しないため、計測対象物Ｔで反射された測定光が１段目の光カプラ５４ａに戻ることなる。
　同様に、１段目の光カプラ５４ａから２段目の光カプラ５４ｂの方向に分岐された光は、当該２段目の光カプラ５４ｂによってコリメートレンズ２２ｂ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射して２段目の光カプラ５４ｂに戻る。２段目の光カプラ５４ｂから３段目の光カプラ５４ｃの方向に分岐された光は、当該３段目の光カプラ５４ｃによってコリメートレンズ２２ｃ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射して３段目の光カプラ５４ｃに戻る。
　一方、光カプラ５４ｆによって分岐された参照光は、さらに、光カプラ５４ｇによって光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに分岐される。
　光カプラ５４ｈでは、光カプラ５４ａから出力される計測対象物Ｔで反射された測定光と、光カプラ５４ｇから出力される参照光とが干渉し、干渉光が生成されて、受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。換言すれば、光カプラ５４ｆによって測定光と参照光とに分岐され、当該測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、コリメートレンズ２２ａ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｈまで到達する光路）と、当該参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｈまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。
　同様に、光カプラ５４ｉでは、測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、５４ｂ、コリメートレンズ２２ｂ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｉまで到達する光路）と、参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｉまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ｂで受光されて電気信号に変換される。
　光カプラ５４ｊでは、測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、コリメートレンズ２２ｃ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｊまで到達する光路）と、参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｊまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ｃで受光されて電気信号に変換される。なお、受光素子５６ａ～５６ｃは、例えば、バランスフォトディテクタであってもよい。
　このように、主干渉計では、３段の光路（３チャネル）を有し、それぞれ計測対象物Ｔで反射されて光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに入力される測定光と、光カプラ５４ｆ及び５４ｇを介してそれぞれ光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに入力される参照光との光路長差に応じた３つの干渉光を生成している。
　なお、測定光と参照光との光路長差は、３チャネルにおいてそれぞれ異なるように、例えば、光カプラ５４ｇと、各光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊとの光路長を異なるように設定してもよい。
　そして、それぞれから得られる干渉光に基づいて、計測対象物Ｔまでの距離等が計測される（マルチチャネル）。
［センサヘッドの構造］
　ここで、変位センサ１０に用いられるセンサヘッドの構造について説明する。
　図６Ａは、センサヘッド２０の概略構成を示す斜視図であり、図６Ｂは、センサヘッドの内部構造を示す模式図である。
　図６Ａに示されるように、センサヘッド２０は、レンズホルダ２３に対物レンズ２１及びコリメートレンズが格納されている。例えば、レンズホルダ２３のサイズは、対物レンズ２１を囲う一辺の長さが２０ｍｍ程度であり、光軸方向への長さが４０ｍｍ程度である。
　図６Ｂに示されるように、レンズホルダ２３には、１つの対物レンズ２１及び３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃが格納されている。光ファイバからの光は、光ファイバアレイ２４を介して３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃに導かれるように構成されており、さらに、３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃを通過した光は、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔに照射される。
　このように、これらの光ファイバ、コリメートレンズ２２ａ～２２ｃ及び光ファイバアレイ２４は、対物レンズ２１とともに、レンズホルダ２３によって保持されて、センサヘッド２０を構成している。
　また、センサヘッド２０を構成するレンズホルダ２３は、高強度で、また高精度に加工できる金属（例えば、Ａ２０１７）で作製されていてもよい。
　図７は、コントローラ３０における信号処理について説明するためのブロック図である。図７に示されるように、コントローラ３０は、複数の受光素子７１ａ～７１ｅと、複数の増幅回路７２ａ～７２ｃと、複数のＡＤ変換部７４ａ～７４ｃと、処理部７５と、差動増幅回路７６と、補正信号生成部７７とを備える。
　コントローラ３０では、図５Ａで示されたように、波長掃引光源５１から投光された光を光カプラ５４によって主干渉計と副干渉計とに分岐し、それぞれより得られる主干渉信号及び副干渉信号を処理することによって、計測対象物Ｔまでの距離値を算出している。
　複数の受光素子７１ａ～７１ｃは、図５Ａに示された受光素子５６ａ～５６ｃに相当し、主干渉計からの主干渉信号をそれぞれ受光して、電流信号としてそれぞれ増幅回路７２ａ～７２ｃに出力する。
　複数の増幅回路７２ａ～７２ｃは、電流信号を電圧信号に変換（Ｉ－Ｖ変換）して増幅する。
　複数のＡＤ変換部７４ａ～７４ｃは、図５Ａに示されたＡＤ変換部５８ａ～５８ｃに相当し、後述する補正信号生成部７７からのＫクロックに基づいて、電圧信号をデジタル信号に変換する（ＡＤ変換）。
　処理部７５は、図５Ａに示された処理部５９に相当し、ＡＤ変換部７４ａ～７４ｃからのデジタル信号をＦＦＴを用いて周波数に変換し、それらを解析して、計測対象物Ｔまでの距離値を算出する。
　複数の受光素子７１ｄ～７１ｅ及び差動増幅回路７６は、図５Ａに示されたバランスディテクタ６０に相当し、副干渉計における干渉光をそれぞれ受光して、一方は位相の反転した干渉信号を出力し、２つの信号の差分を取ることによってノイズを除去しつつ、干渉信号を増幅して電圧信号に変換する。
　補正信号生成部７７は、図５Ａに示された補正信号生成部６１に相当し、電圧信号をコンパレータで２値化し、Ｋクロックを生成し、ＡＤ変換部７４ａ～７４ｃに出力する。Ｋクロックは、主干渉計のアナログ信号よりも高周波に生成される必要があるため、補正信号生成部７７で周波数を逓倍（例えば、８倍等）して高周波化してもよい。
　図８は、コントローラ３０における処理部５９によって実行される、計測対象物Ｔまでの距離を算出する方法を示すフローチャートである。図８に示されるように、当該方法は、ステップＳ３１～Ｓ３４を含む。
　ステップＳ３１では、処理部５９は、下記ＦＦＴを用いて、波形信号（電圧ｖｓ時間）をスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換する。図９Ａは、波形信号（電圧ｖｓ時間）がスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換される様子を示す図である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ステップＳ３２では、処理部５９は、スペクトル（電圧ｖｓ周波数）をスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換する。図９Ｂは、スペクトル（電圧ｖｓ周波数）がスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換される様子を示す図である。
　ステップＳ３３では、処理部５９は、スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークに対応する距離値を算出する。図９Ｃは、スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークを検出し、それに対応する距離値が算出される様子を示す図である。図９Ｃに示されるように、ここでは、３チャネルにおいて、それぞれスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出され、それぞれピークに対応する距離値が算出される。
　ステップＳ３４では、処理部５９は、ステップＳ３３で算出された距離値を平均化する。具体的には、処理部５９は、ステップＳ３３で３チャネルにおいてそれぞれスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出され、それに対応する距離値が算出されているため、それらを平均化して、当該平均化した算出結果を計測対象物Ｔまでの距離として出力する。
　なお、ステップＳ３４では、処理部５９は、ステップＳ３３で算出された距離値を平均化する際に、ＳＮＲが閾値以上である距離値平均化することが好ましい。例えば、３チャンネルのうち、いずれかのチャンネルにおいて、そのスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出されたものの、ＳＮＲが閾値未満の場合には、当該スペクトルに基づいて算出される距離値は、信頼性が低いと判断し、採用しない。
　次に、本開示に関して、より特徴的な構成、機能及び性質を中心に、具体的な実施形態として詳細に説明する。なお、以下に示される光干渉測距センサは、図１～図９を用いて説明した変位センサ１０に相当し、当該光干渉測距センサに含まれる基本的な構成、機能及び性質の全部又は一部は、図１～図９を用いて説明した変位センサ１０に含まれる構成、機能及び性質と共通している。
　＜一実施形態＞
［光干渉測距センサの構成］
　図１０は、本発明の一実施形態に係る光干渉測距センサ１００の構成概要を示す模式図である。図１０に示されるように、光干渉測距センサ１００は、コントローラ１１０とセンサヘッド１２０とを有し、さらに、これらを接続する光ファイバケーブル１３０を含み、干渉光に基づいて計測対象物Ｔまでの距離を計測する。
　コントローラ１１０は、波長掃引光源１１１と、主干渉計１１２と、第１フォトディテクタ（受光部）１１３と、副干渉計１１４と、第２フォトディテクタ（受光部）１１５と、処理部１１６とを備える。光ファイバケーブル１３０は、複数の光ファイバから構成される光ファイバ群であって、ここでは、第１光ファイバ１３１と第２光ファイバ１３２から構成されており、第２光ファイバ１３２の端部には、反射部１３３が形成されている。
　波長掃引光源１１１は、連続的に波長を変化させながら光を投光する。すなわち、波長掃引光源１１１から投光される光は、継続して波長が変化している。そして、波長掃引光源１１１から投光された光は、例えば、光カプラ等の光分岐部を介して、主干渉計１１２と副干渉計１１４とに供給される。
　主干渉計１１２は、光ファイバケーブル１３０の第１光ファイバ１３１に接続されており、波長掃引光源１１１から投光された光を、第１光ファイバ１３１を介してセンサヘッド１２０に供給し、さらに、センサヘッド１２０からの戻り光を第１フォトディテクタ１１３に導く。
　具体的には、主干渉計１１２から第１光ファイバ１３１を介してセンサヘッド１２０に導かれた光は、測定光として、例えば、センサヘッド１２０に配置されたコリメートレンズや対物レンズを介して、計測対象物Ｔに照射される。そして、当該計測対象物Ｔでの反射光がセンサヘッド１２０に戻る。
　また、主干渉計１１２から第１光ファイバ１３１を介してセンサヘッド１２０に導かれた光の一部は、参照光として、例えば、第１光ファイバ１３１の先端に設けられた参照面で反射される。そして、上述した測定光と当該参照光とが干渉することにより、測定光及び参照光の光路長差に応じた干渉光が生成される（第１干渉信号）。
　このように、主干渉計１１２は、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、センサヘッド１２０により計測対象物Ｔに照射して反射される測定光と、測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく第１干渉信号を生成する。なお、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、第１干渉信号を生成するということから、主干渉計１１２に第１光ファイバ１３１及びセンサヘッド１２０を含めて主干渉計と言うこともできる。
　第１フォトディテクタ１１３は、主干渉計１１２によって生成された第１干渉信号を受光し、処理部１１６は、後述する第２干渉信号に基づいて当該第１干渉信号を補正しつつ、計測対象物Ｔまでの距離を算出する。
　副干渉計１１４は、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、異なる光路長の光路を辿る２つの光に基づいて第２干渉信号を生成する。例えば、副干渉計１１４は、光カプラ等の光分岐部を備え、波長掃引光源１１１から投光された光を異なる光路長の光路に分岐させ、さらに、それらを合成させて干渉させることにより第２干渉信号を生成すればよい。
　そして、副干渉計１１４は、光ファイバケーブル１３０の第２光ファイバ１３２に接続されており、第２干渉信号を第２光ファイバ１３２に伝搬させた後、第２フォトディテクタ１１５に導く。具体的には、第２干渉信号は、第２光ファイバ１３２を伝搬し、反射部１３３で反射され、再び第２光ファイバ１３２を介して第２フォトディテクタ１１５によって受光される。なお、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、第２干渉信号を生成するということから、副干渉計１１４に第２光ファイバ１３２及び反射部１３３を含めて副干渉計と言うこともできる。
　処理部１１６は、主干渉計１１２によって生成されて第１フォトディテクタ１１３で受光した第１干渉信号を、副干渉計１１４によって生成されて第２フォトディテクタ１１５で受光した第２干渉信号に基づいて補正しつつ、計測対象物Ｔまでの距離を算出する。
　具体的には、波長掃引光源１１１の掃引時における波長の非線形性から、第１フォトディテクタ１１３で受光する第１干渉信号は、アナログ信号の波の間隔は等間隔ではない。このため、当該アナログ信号をＡＤ変換する際に、例えば、補正信号（Ｋクロック）を用いて、波の間隔が等間隔になるようにリニアライズ補正するとよい。
　ここで、補正信号（Ｋクロック）は、補正信号生成部（図５Ａ、図５Ｂ及び図７等）によって、第２干渉信号に基づいて生成される。第２干渉信号は、掃引時における波長の非線形性から、第１干渉信号と同様に非線形であるため、補正信号生成部は、当該第２干渉信号に基づいて掃引時における波長の非線形性を把握し、第１干渉信号のアナログ信号を適切にＡＤ変換（サンプリング）する補正信号（Ｋクロック）を生成することができる。
　なお、補正信号生成部において適切な補正信号（Ｋクロック）を生成するためには、第１フォトディテクタ１１３で受光する第１干渉信号の非線形性を、補正信号生成部で適切に把握される必要がある。このためには、第１干渉信号と第２干渉信号との特性（非線形性）を整合させておくことが好ましい。
　具体的には、光ファイバケーブル１３０において、第１光ファイバ１３１の光路長及び第２光ファイバ１３２の光路長を適切に設定する。波長掃引光源１１１から投光されてから第１干渉信号が第１フォトディテクタ１１３で受光されるまでの第１光路長と、波長掃引光源１１１から投光されてから第２フォトディテクタ１１５で受光されるまでの第２光路長とが略同一となるように、光ファイバケーブル１３０に配置される第１光ファイバ１３１及び第２光ファイバ１３２の長さが設定されるとよい。
　このように、主干渉計１１２を経由する第１光路長と副干渉計１１４を経由する第２光路長とが略同一となるように、光ファイバケーブル１３０において第１光ファイバ１３１及び第２光ファイバ１３２が配置されている。このため、例えば、主干渉計１１２に繋がるセンサヘッド１２０（光ファイバを含む）を付け替えたり、主干渉計１１２とセンサヘッド１２０とを接続する光ファイバを付け替えたりした場合であっても、副干渉計１１４に接続される光ファイバも適切に付け替えることができる。その結果、波長掃引光源１１１の掃引時における波長の非線形性を適切に補正して、高精度に計測対象物Ｔを計測することができる。
［コントローラと光ファイバケーブルとの接続］
　図１１は、光ファイバケーブル１３０がコントローラ１１０に着脱可能である様子を示す図である。図１１に示されるように、コントローラ１１０側には、第１光コネクタＣ１１及び第２光コネクタＣ１２が備えられ、光ファイバケーブル１３０側には、第１光コネクタＣ３１及び第２光コネクタＣ３２が備えられている。
　コントローラ１１０側において、第１光コネクタＣ１１は、主干渉計１１２に接続される光ファイバの端部であり、第２光コネクタＣ１２は、副干渉計１１４に接続される光ファイバの端部である。
　光ファイバケーブル１３０側の第１光コネクタＣ３１は、コントローラ１１０側の第１光コネクタＣ１１と接続されることによって、主干渉計１１２と第１光ファイバ１３１とを接続する。
　光ファイバケーブル１３０側の第２光コネクタＣ３２は、コントローラ１１０側の第２光コネクタＣ１２と接続されることによって、副干渉計１１４と第２光ファイバ１３２とを接続する。
　このように、コントローラ１１０側の第１光コネクタＣ１１及び第２光コネクタＣ１２と、光ファイバケーブル１３０側の第１光コネクタＣ３１及び第２光コネクタＣ３２とによって、容易に、センサヘッド１２０に繋がる光ファイバを付け替えるとともに、副干渉計１１４に接続される光ファイバも適切に付け替えることができる。
［主干渉計及び副干渉計の具体的構成］
　図１２は、主干渉計１１２及び副干渉計１１４の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０１の構成概要図である。図１２に示されるように、主干渉計１１２は、光カプラ１１２ａを備え、副干渉計１１４は、第１光カプラ１１４ａと、第２光カプラ１１４ｂと、サーキュレータ１１４ｃとを備える。
　主干渉計１１２では、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、光カプラ１１２ａを介して光ファイバケーブル１３０の第１光ファイバ１３１を伝搬し、センサヘッド１２０に供給される。そして、センサヘッド１２０からの戻り光（測定光と参照光との第１干渉信号）は、第１光ファイバ１３１を伝搬し、光カプラ１１２ａを介して第１フォトディテクタ１１３に導かれる。なお、光カプラ１１２ａの残りのポートは、コアレスファイバ終端を備えた光ファイバに接続され、又は減衰器に接続されるとよい。
　副干渉計１１４では、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、第１光カプラ１１４ａによって異なる光路長の光路を辿る２つの光に分岐され、その後、第２光カプラ１１４ｂによって合成されて、その光路長差に基づく第２干渉信号が生成される。当該第２干渉信号は、サーキュレータ１１４ｃを介して光ファイバケーブル１３０の第２光ファイバ１３２を伝搬し、反射部１３３で反射され、再び、第２光ファイバ１３２を伝搬し、サーキュレータ１１４ｃを介して第２フォトディテクタ１１５に導かれる。
　図１３は、主干渉計１１２及び副干渉計１１４の他の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０２の構成概要図である。図１３に示されるように、主干渉計１１２は、光カプラ１１２ａを備え、副干渉計１１４は、第１光カプラ１１４ａと、第２光カプラ１１４ｂと、第３光カプラ１１４ｄとを備える。
　図１３に示された光干渉測距センサ１０２は、図１２に示された光干渉測距センサ１０１と比べて、副干渉計１１４において、サーキュレータ１１４ｃに替えて第３光カプラ１１４ｄが配置されている点で異なる。
　副干渉計１１４では、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、第１光カプラ１１４ａによって異なる光路長の光路を辿る２つの光に分岐され、その後、第２光カプラ１１４ｂによって合成されて、その光路長差に基づく第２干渉信号が生成される。当該第２干渉信号は、第３光カプラ１１４ｄを介して光ファイバケーブル１３０の第２光ファイバ１３２を伝搬し、反射部１３３で反射され、再び、第２光ファイバ１３２を伝搬し、第３光カプラ１１４ｄを介して第２フォトディテクタ１１５に導かれる。なお、第３光カプラ１１４ｄの残りのポートは、コアレスファイバ終端を備えた光ファイバに接続され、又は減衰器に接続されるとよい。
［光ファイバケーブルにおける反射部の具体的構成］
　図１４は、光ファイバケーブル１３０における反射部１３３の具体的な構成を示す模式図である。図１４に示されるように、第２光ファイバ１３２の端部には、反射部１３３が形成されているが、当該反射部１３３を光ファイバケーブル１３０の内部に形成する（Ａ）非貫通型、又は当該反射部１３３を光ファイバケーブル１３０の外部に形成する（Ｂ）貫通型とすることができる。
（Ａ）非貫通型の場合、光ファイバケーブル１３０の内部に反射部１３３が形成されるため、当該反射部１３３は破損し難く適切に保護されるというメリットがある。一方、（Ｂ）貫通型の場合、光ファイバケーブル１３０の外部に反射部１３３が形成されるため、第１光ファイバ１３１の光路長に合わせて第２光ファイバ１３２の光路長を調整しし易いというメリットがある。
　なお、第１光ファイバ１３１は、センサヘッド１２０に繋がるため、その接続部は、光ファイバケーブル１３０の外部に形成され、例えば、１％程度の反射コートとして構成されて、伝搬される光の反射を抑制することが好ましい。
　以上のように、本発明の一実施形態に係る光干渉測距センサ１００（光干渉測距センサ１０１及び１０２を含む）によれば、光ファイバケーブル１３０は、主干渉計１１２に接続される第１光ファイバ１３１と、副干渉計１１４に接続される第２光ファイバ１３２とを備え、第１光ファイバ１３１の光路長及び第２光ファイバ１３２の光路長は、主干渉計１１２を経由する第１光路長と副干渉計１１４を経由する第２光路長とが略同一となるように設定されている。これにより、主干渉計１１２に接続される第１光ファイバ１３１に対応して、副干渉計１１４に適切な第２光ファイバ１３２を接続することができる。その結果、波長掃引の非線形を適切に補正して、高精度に計測対象物を計測することができる。
　なお、本実施形態では、光ファイバケーブル１３０において、第２光ファイバ１３２の端部に反射部１３３を形成していたが、第２光ファイバ１３２の構成は、これに限定されるものではなく、例えば、反射部１３３に替えて折り返し部を形成するようにしてもよい。
　図１５は、第２光ファイバ１３２に折り返し部１３４が形成された光ファイバケーブル１３０を用いた場合における、主干渉計１１２及び副干渉計１１４の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０３の構成概要図である。図１５に示されるように、主干渉計１１２は、光カプラ１１２ａを備え、副干渉計１１４は、第１光カプラ１１４ａと、第２光カプラ１１４ｂとを備える。
　図１５に示された光干渉測距センサ１０３は、図１２に示された光干渉測距センサ１０１及び図１３に示された光干渉測距センサ１０２と比べて、副干渉計１１４において、サーキュレータ１１４ｃ及び第３光カプラ１１４ｄが配置されていない点で異なっている。
　副干渉計１１４では、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、第１光カプラ１１４ａによって異なる光路長の光路を辿る２つの光に分岐され、その後、第２光カプラ１１４ｂによって合成されて、その光路長差に基づく第２干渉信号が生成される。当該第２干渉信号は、光ファイバケーブル１３０の第２光ファイバ１３２を伝搬し、折り返し部１３４を経由して、副干渉計１１４に戻って第２フォトディテクタ１１５に導かれる。
　光干渉測距センサ１０３では、副干渉計１１４から光ファイバケーブル１３０に出力される光路を形成するために、コントローラ１１０側と光ファイバケーブル１３０側とを接続する光コネクタ、及び光ファイバケーブル１３０から副干渉計１１４に戻る光路を形成するために、コントローラ１１０側と光ファイバケーブル１３０側とを接続する光コネクタを備えるとよい。これにより、副干渉計１１４において、図１２に示されたサーキュレータ１１４ｃや図１３に示された第３光カプラ１１４ｄを配置する必要がなく、簡易な構成とすることができ、コストの軽減にも繋がる。
　なお、ここでは、第２光ファイバ１３２に折り返し部１３４が形成される構成としたが、主干渉計１１２を経由する第１光路長と副干渉計１１４を経由する第２光路長とが略同一となるように設定されるように、第２光ファイバ１３２を形成して配置すれば、これに限定されるものではない。例えば、第２光ファイバ１３２を渦巻き状にしたり、蛇腹状にしたり、光ファイバケーブル１３０内を周回させるように配置したりしてもよい。
　さらに、光ファイバケーブル１３０の他の実施形態として、副干渉計１１４と接続される第２光ファイバを複数備えてもよい。
　図１６は、副干渉計１１４と接続される第２光ファイバを複数備えた光ファイバケーブル１３０を用いた場合における、主干渉計１１２及び副干渉計１１４の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０４の構成概要図である。図１６に示されるように、主干渉計１１２は、光カプラ１１２ａを備え、副干渉計１１４は、第１光カプラ１１４ａと、第２光カプラ１１４ｂと、第３光カプラ１１４ｄとを備える。さらに、光ファイバケーブル１３０は、主干渉計１１２と接続される第１光ファイバ１３１、副干渉計１１４と接続される第２光ファイバ１３２ａ及び１３２ｂを備え、当該第２光ファイバ１３２ａ及び１３２ｂそれぞれの端部には、反射部１３３ａ及び１３３ｂが形成されている。
　図１６に示された光干渉測距センサ１０４は、副干渉計１１４における第３光カプラ１１４ｄの２つのポートは、それぞれ光ファイバケーブル１３０の第２光ファイバ１３２ａ及び１３２ｂに接続されている。
　副干渉計１１４では、波長掃引光源１１１から投光された光が供給され、第１光カプラ１１４ａによって異なる光路長の光路を辿る２つの光に分岐され、その後、第２光カプラ１１４ｂによって合成されて、その光路長差に基づく第２干渉信号が生成される。
　当該第２干渉信号は、第３光カプラ１１４ｄで分岐されて、それぞれ光ファイバケーブル１３０の第２光ファイバ１３２ａ及び１３２ｂを伝搬し、反射部１３３ａ及び１３３ｂで反射される。反射部１３３ａ及び１３３ｂで反射された第２干渉信号は、再び、それぞれ第２光ファイバ１３２ａ及び１３２ｂを伝搬し、第３光カプラ１１４ｄを介して第２フォトディテクタ１１５に導かれる。
　ここで、第２光ファイバ１３２ａ又は１３２ｂのうちいずれかの光路を伝搬した第２干渉信号を選択し、主干渉計１１２によって生成されて第１フォトディテクタ１１３で受光された第１干渉信号を適切にリニアライズ補正すればよい。
　このように、副干渉計１１４と接続される第２光ファイバを複数備えていれば、例えば、主干渉計１１２を経由する第１光路長に変更がある場合でも、副干渉計１１４を経由する第２光路長を適切に選択して対応することができる。
　なお、上述した光干渉測距センサ１００～１０４は、シングルチャネルとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、波長掃引光源１１１から投光された光を、主干渉計１１２において複数の光カプラ等を用いて分岐させて、多段式の光干渉測距センサとして構成してもよい。本発明は、多段式の光干渉測距センサに適用することも可能である。
　図１７は、多段式の光路が設けられた主干渉計１１２を用いた場合における、主干渉計１１２及び副干渉計１１４の具体的な構成を模式的に示す光干渉測距センサ１０５の構成概要図である。図１７に示されるように、主干渉計１１２は、第１段目の光カプラ１１２ａ～第３段目の光カプラ１１２ｃを備えることによって３つの光路を構成するとともに、第１段目のフォトディテクタ１１３ａ～第３段目のフォトディテクタ１１３ｃを備えている。さらに、主干渉計１１２は、当該３つの光路について、それぞれ光ファイバケーブル１３０に接続するために第１段目の光コネクタＣ１１ａ～第３段目の光コネクタＣ１１ｃを備えている。
　副干渉計１１４は、図１２に示された光干渉測距センサ１０１の構成と同様であってもよく、光ファイバケーブル１３０に接続するための第２光コネクタＣ１２を備えている。
　光ファイバケーブル１３０は、３つの第１光ファイバ１３１ａ～１３１ｃ、及び１つの第２光ファイバ１３２を備え、さらに、それぞれコントローラ１１０に接続するために３つの第１光コネクタＣ３１ａ～Ｃ３１ｃ、及び１つの第２光コネクタＣ３２を備えている。
　なお、コントローラ１１０側の３つの第１光コネクタＣ１１ａ～Ｃ１１ｃと、光ファイバケーブル１３０側の３つの第１光コネクタＣ３１ａ～Ｃ３１ｃとがそれぞれ接続され、コントローラ１１０側の第２光コネクタＣ１２と、光ファイバケーブル１３０側の第２光コネクタＣ３２とが接続される。
　主干渉計１１２における３つの光路それぞれにおいて生成された第１干渉信号は、第１段目のフォトディテクタ１１３ａ～第３段目のフォトディテクタ１１３ｃで受光され、処理部１１６は、副干渉計１１４によって生成される第２干渉信号に基づいて当該第１干渉信号を補正しつつ、計測対象物Ｔまでの距離を算出する。
　なお、本実施形態では、主干渉計１１２によって生成された第１干渉信号を、副干渉計１１４によって生成された第２干渉信号に基づくＫクロック（補正信号生成部）を用いてリニアライズ補正する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、主干渉計１１２によって生成された第１干渉信号から、副干渉計１１４によって生成された第２干渉信号のゼロクロス点に対応するのデータを抽出したり、第２干渉信号の連続位相の等分割点の対応するデータを抽出したりする等、ソフトウェア処理を用いて、第１干渉信号をリニアライズ補正してもよい。
［干渉計の変形例］
　上述した実施形態では、光干渉測距センサ１００～１０５は、主干渉計１１２（光ファイバケーブル１３０及びセンサヘッド１２０を含む）において光ファイバの先端を参照面とすることで参照光を発生させるフィゾー型干渉計を用いていたが、干渉計は、これに限定されるものではない。
　図１８は、測定光と参照光とを用いて干渉光を発生させる干渉計のバリエーションを示す図である。図１８（ａ）では、主干渉計１１２を経由する光路において、光ファイバの先端（端面）を参照面とする参照光と、センサヘッドから照射され計測対象物Ｔで反射される測定光との光路長差に基づいて干渉光が生成される。上述した実施形態に係る光干渉測距センサ１００～１０５の主干渉計１１２の構成であり（フィゾー型干渉計）、当該参照面は、光ファイバと空気との屈折率の違いによって光が反射するように構成されていてもよい（フレネル反射）。また、光ファイバの先端に反射膜をコーティングしてもよいし、光ファイバの先端に無反射コーティングを施して、別途、レンズ面等の反射面を配置してもよい。
　図１８（ｂ）では、主干渉計１１２を経由する光路において、計測対象物Ｔに測定光を導く測定光路Ｌｍと、参照光を導く参照光路Ｌｒとを形成し、参照光路Ｌｒの先には参照面が配置されている（マイケルソン型干渉計）。参照面は、光ファイバの先端に反射膜をコーティングしてもよいし、光ファイバの先端に無反射コーティングを施して、別途、ミラー等を配置してもよい。当該構成では、測定光路Ｌｍの光路長と参照光路Ｌｒの光路長とで光路長差を設けることによって干渉光が生成される。
　図１８（ｃ）では、主干渉計１１２を経由する光路において、計測対象物Ｔに測定光を導く測定光路Ｌｍと、参照光を導く参照光路Ｌｒとを形成し、参照光路Ｌｒには、バランスディテクタが配置されている（マッハツェンダ型干渉計）。当該構成では、測定光路Ｌｍと参照光路Ｌｒの光路長とで光路長差を設けることによって、干渉光が生成される。
　このように、主干渉計は、実施形態で説明したフィゾー型干渉計に限定されるものではなく、例えば、マイケルソン型干渉計やマッハツェンダ型干渉計であってもよいし、測定光と参照光との光路長差を設定することによって干渉光を発生させることができれば、どのような干渉計を適用してもよいし、これらの組み合わせ等やその他の構成を適用してもよい。
　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
［附記］
　波長掃引光源（１１１）を用いて計測対象物を計測するための第１干渉信号を生成する主干渉計（１１２）と、前記第１干渉信号の非線形性を補正するための第２干渉信号を生成する副干渉計（１１４）とを有する光干渉測距センサ（１００）に用いられる光ファイバケーブル（１３０）であって、
　前記主干渉計（１１２）に接続されることで当該主干渉計（１１２）から入力された光をセンサヘッド（１２０）に導くとともに、当該センサヘッド（１２０）からの光を当該主干渉計（１１２）に出力する第１光ファイバ（１３１）と、
　前記副干渉計（１１４）に接続されることで当該副干渉計（１１４）から入力された光を伝搬させて当該副干渉計（１１４）に出力する第２光ファイバ（１３２）と、を備え、
　前記第１光ファイバ（１３１）の光路長及び前記第２光ファイバ（１３２）の光路長は、前記波長掃引光源（１１１）から投光されてから前記主干渉計（１１２）における受光部（１１３）で受光されるまでの第１光路長と、前記波長掃引光源（１１１）から投光されてから前記副干渉計（１１４）における受光部（１１５）で受光されるまでの第２光路長とが略同一となるように設定される、
　光ファイバケーブル（１３０）。
１…センサシステム、１０…変位センサ、１１…制御機器、１２…制御信号入力用センサ、１３…外部接続機器、２０…センサヘッド、２１…対物レンズ、２２ａ～２２ｃ…コリメートレンズ、２３…レンズホルダ、２４…光ファイバアレイ、３０…コントローラ、３１…表示部、３２…設定部、３３…外部インタフェース（Ｉ／Ｆ）部、３４…光ファイバ接続部、３５…外部記憶部、３６…計測処理部、４０…光ファイバ、５１…波長掃引光源、５２…光増幅器、５３，５３ａ～５３ｂ…アイソレータ、５４，５４ａ～５４ｅ…光カプラ、５５…減衰器、５６ａ～５６ｃ…受光素子、５８…ＡＤ変換部、５９…処理部、６０…バランスディテクタ、６１…補正信号生成部、７１ａ～７１ｅ…受光素子、７２ａ～７２ｃ…増幅回路、７４ａ～７４ｃ…ＡＤ変換部、７５…処理部、７６…差動増幅回路、７７…補正信号生成部、１００～１０５…光干渉測距センサ、１１０…コントローラ、１１１…波長掃引光源、１１２…主干渉計、１１２ａ～１１２ｃ…光カプラ、１１３，１１３ａ～１１３ｃ…第１フォトディテクタ（受光部）、１１４…副干渉計、１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｄ…光カプラ、１１４ｃ…サーキュレータ、１１５…第２フォトディテクタ（受光部）、１１６…処理部、１２０，１２０ａ～１２０ｃ…センサヘッド、１３０…光ファイバケーブル、１３１，１３１ａ～１３１ｃ…第１光ファイバ、１３２，１３２ａ，１３２ｂ…第２光ファイバ、１３３，１３３ａ，１３３ｂ…反射部、１３４…折り返し部、Ｃ１１，Ｃ１１ａ～Ｃ１１ｃ…第１光コネクタ、Ｃ１２…第２光コネクタ、Ｃ３１，Ｃ３１ａ～Ｃ３１ｃ…第１光コネクタ、Ｃ３２…第２光コネクタ、Ｌｍ…測定光路、Ｌｒ…参照光路、Ｔ…計測対象物
 

Claims (6)

  1. 　波長掃引光源を用いて計測対象物を計測するための第１干渉信号を生成する主干渉計と、前記第１干渉信号の非線形性を補正するための第２干渉信号を生成する副干渉計とを有する光干渉測距センサに用いられる光ファイバケーブルであって、
    　前記主干渉計に接続されることで当該主干渉計から入力された光をセンサヘッドに導くとともに、当該センサヘッドからの光を当該主干渉計に出力する第１光ファイバと、
    　前記副干渉計に接続されることで当該副干渉計から入力された光を伝搬させて当該副干渉計に出力する第２光ファイバと、を備え、
    　前記第１光ファイバの光路長及び前記第２光ファイバの光路長は、前記波長掃引光源から投光されてから前記主干渉計における受光部で受光されるまでの第１光路長と、前記波長掃引光源から投光されてから前記副干渉計における受光部で受光されるまでの第２光路長とが略同一となるように設定される、
    　光ファイバケーブル。
  2. 　前記第２光ファイバには、当該第２光ファイバを伝搬する光を反射させる反射部が構成されている、
    　請求項１に記載の光ファイバケーブル。
  3. 　前記反射部は、当該光ファイバケーブルの内部に配置される、
    　請求項２に記載の光ファイバケーブル。
  4. 　前記反射部は、当該光ファイバケーブルの外部に配置される、
    　請求項２に記載の光ファイバケーブル。
  5. 　計測対象物に光を照射するセンサヘッドに、光ファイバケーブルを介して接続されるコントローラであって、
    　波長を変化させながら光を投光する光源と、
    　前記光源から投光された光が供給され、前記センサヘッドにより前記計測対象物に照射して反射される測定光と、前記測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく第１干渉信号を生成する主干渉計と、
    　前記光源から投光された光が供給され、異なる光路長の光路を辿る２つの光に基づいて第２干渉信号を生成する副干渉計と、
    　前記第２干渉信号に基づいて前記第１干渉信号を補正しつつ、前記センサヘッドから前記計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備え、
    　前記光ファイバケーブルは、
    　前記主干渉計に接続されることで当該主干渉計から入力された光を前記センサヘッドに導くとともに、当該センサヘッドからの光を当該主干渉計に出力する第１光ファイバと、
    　前記副干渉計に接続されることで当該副干渉計から入力された光を伝搬させて当該副干渉計に出力する第２光ファイバと、を備え、
    　前記第１光ファイバの光路長及び前記第２光ファイバの光路長は、前記光源から投光されてから前記主干渉計における受光部で受光されるまでの第１光路長と、前記光源から投光されてから前記副干渉計における受光部で受光されるまでの第２光路長とが略同一となるように設定される、
    　コントローラ。
  6. 　波長掃引光源を用いて計測対象物を計測するコントローラ、及び前記コントローラと前記計測対象物に光を照射するセンサヘッドとを接続する光ファイバケーブルを有する光干渉測距センサであって、
    　前記コントローラは、
    　波長を変化させながら光を投光する光源と、
    　前記光源から投光された光が供給され、前記センサヘッドにより前記計測対象物に照射して反射される測定光と、前記測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく第１干渉信号を生成する主干渉計と、
    　前記光源から投光された光が供給され、異なる光路長の光路を辿る２つの光に基づいて第２干渉信号を生成する副干渉計と、
    　前記第２干渉信号に基づいて前記第１干渉信号を補正しつつ、前記センサヘッドから前記計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備え、
    　前記光ファイバケーブルは、
    　前記主干渉計に接続されることで当該主干渉計から入力された光をセンサヘッドに導くとともに、当該センサヘッドからの光を当該主干渉計に出力する第１光ファイバと、
    　前記副干渉計に接続されることで当該副干渉計から入力された光を伝搬させて当該副干渉計に出力する第２光ファイバと、を備え、
    　前記第１光ファイバの光路長及び前記第２光ファイバの光路長は、前記光源から投光されてから前記主干渉計における受光部で受光されるまでの第１光路長と、前記光源から投光されてから前記副干渉計における受光部で受光されるまでの第２光路長とが略同一となるように設定される、
    　光干渉測距センサ。
     
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JPS60233581A (ja) * 1984-03-16 1985-11-20 デイジタル・シグナル・コ−ポレ−シヨン 距離測定装置及び方法
WO2017081808A1 (ja) * 2015-11-13 2017-05-18 株式会社日立製作所 計測方法および装置
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