JP7624738B2 - Optical range finder and evaluation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、投光部から変調光を測定対象物に照射して、該測定対象物により反射されて戻ってきた上記変調光を受光部で検出することにより得られる測定信号の時間遅れから、上記測定対象物までの距離を信号処理部により算出する光学式距離計及びその評価方法に関する。 The present invention relates to an optical distance meter and an evaluation method thereof, in which a light-projecting unit projects modulated light onto a measurement object, and a light-receiving unit detects the modulated light reflected by the measurement object and returns to the measurement object. The measurement signal thus obtained is then used to calculate the distance to the measurement object from the time delay of the measurement signal.
従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザー光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザー光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザー距離計ではレーザー光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザー光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される。また、例えば、半導体レーザーの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を半導体レーザー素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。 Distance measurement based on optical principles using laser light has been known as an active distance measurement method that can measure the distance to a precise point. In a laser rangefinder that uses laser light to measure the distance to a target object, the distance to the target is calculated based on the difference between the time the laser light is emitted and the time the laser light reflected from the target is detected by a light receiving element. In addition, for example, the driving current of a semiconductor laser is modulated with a triangular wave or the like, and the reflected light from the target is received using a photodiode embedded in the semiconductor laser element, and distance information is obtained from the main wave number of the sawtooth wave that appears in the photodiode output current.
本件発明者等は、長い距離を高い精度でしかも短時間に測定することが可能な距離計として、図12に示すような構成の距離計を先に提案している(例えば、特許文献1参照)。 The present inventors have previously proposed a rangefinder with the configuration shown in FIG. 12 as a rangefinder capable of measuring long distances with high accuracy and in a short time (see, for example, Patent Document 1).
このレーザー距離計200は、測定光S1を出射する第1の光源210と、参照光S2を出射する第2の光源220と、上記第1の光源210から出射された測定光S1と上記第2の光源220から出射された参照光S2が偏波保存コリメータ211,212を介して入射されるプリズムユニット230と、上記第1の光源210から出射された測定光S1が上記プリズムユニット230を介して照射される測定面250及び基準面255と、上記第1の光源210から出射された測定光S1と上記第2の光源220から出射された参照光S2が上記プリズムユニット230を介して重ね合わされて入射され、上記測定光S1と参照光S2との干渉光を検出する第1の光検出器260と、上記測定面250に照射された測定光の上記測定面250による反射光と上記基準面255に照射された参照光の上記基準面255による反射光が上記プリズムユニット230を介して重ね合わされて入射され、上記測定光の反射光と上記参照光の反射光との干渉光を検出する第2の光検出器270と、上記第1の光検出器260により検出された干渉信号と上記第2の光検出器270により検出された干渉信号の時間差に基づいて、光速と測定波長における屈折率から上記基準面255までの距離と上記測定面250までの距離の差を求める信号処理部280とを備える。 The laser distance meter 200 includes a first light source 210 that emits a measurement light S1, a second light source 220 that emits a reference light S2, a prism unit 230 into which the measurement light S1 emitted from the first light source 210 and the reference light S2 emitted from the second light source 220 are incident via polarization-preserving collimators 211, 212, a measurement surface 250 and a reference surface 255 onto which the measurement light S1 emitted from the first light source 210 is irradiated via the prism unit 230, and a reference surface 255 into which the measurement light S1 emitted from the first light source 210 and the reference light S2 emitted from the second light source 220 are superimposed via the prism unit 230 and incident, 2 , a second photodetector 270 which detects interference light between the reflected light of the measurement light and the reflected light of the reference light, which are incident on the measurement surface 250 and the reference surface 255 and are superimposed via the prism unit 230, and which detects interference light between the reflected light of the measurement light and the reflected light of the reference light, and a signal processing unit 280 which calculates a difference between the distance to the reference surface 255 and the distance to the measurement surface 250 from the speed of light and the refractive index at the measurement wavelength, based on a time difference between the interference signal detected by the first photodetector 260 and the interference signal detected by the second photodetector 270.
このレーザー距離計200において、上記プリズムユニット230は、第1の台形プリズム231、第1の直角プリズム232、第2の直角プリズム233、第3の直角プリズム234 、第2の台形プリズム235、第4の直角プリズム236を貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムである。 In this laser rangefinder 200, the prism unit 230 is an interferometer prism having a structure in which a first trapezoidal prism 231, a first right-angle prism 232, a second right-angle prism 233, a third right-angle prism 234, a second trapezoidal prism 235, and a fourth right-angle prism 236 are bonded together to form an integrated structure.
上記第1の光検出器260は、上記測定光S1と上記参照光S2との干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット230の第1の台形プリズム231に形成されているビームスプリッタ膜242Aにおいて重ね合わされて二つに分岐された測定光S11,S12と参照光S21,S22との各干渉光を二個のフォトディテクタ261A,261Bにより検出し、その差分を差動検出器262 により検出するようになっている。 The first photodetector 260 detects the interference light between the measurement light S1 and the reference light S2, and detects the interference light between the measurement light S11 , S12 and the reference light S21, S22 , which are superimposed and split into two by the beam splitter film 242A formed on the first trapezoidal prism 231 of the prism unit 230 , by two photodetectors 261A, 261B, and detects the difference between them by a differential detector 262.
また、上記第2の光検出器270は、上記測定面250からの反射光S1C’と上記基準面255からの反射光S2C’の干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット230の第2の台形プリズム235に形成されているビームスプリッタ膜242Bにおいて重ね合わされてそれぞれ二つに分岐された反射光S11’,S12’と反射光S21’,S22’との各干渉光を二個のフォトディテクタ271A,271Bにより検出し、その差分を差動検出器272により検出するようになっている。 In addition, the second photodetector 270 detects the interference light between the reflected light S 1C ' from the measurement surface 250 and the reflected light S 2C ' from the reference surface 255, and detects the interference lights between the reflected lights S 11 ', S 12 ' and the reflected lights S 21 ', S 22 ' which are superimposed and split into two by the beam splitter film 242B formed on the second trapezoidal prism 235 of the prism unit 230 by two photodetectors 271A, 271B, and the difference between them is detected by a differential detector 272.
上記信号処理部280は、上記第1の光検出器260により上記測定光S1と上記参照光S2との干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差と、上記第2の光検出器270 により上記測定面250からの反射光S1C’と上記基準面255からの反射光S2C’の干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差に基づいて、光速と測定波長における屈折率から上記基準面255までの距離と上記測定面250までの距離の差を求める処理を行う。 The signal processing unit 280 performs processing to determine the difference between the distance to the reference surface 255 and the distance to the measurement surface 250 from the speed of light and the refractive index at the measurement wavelength , based on the time difference between interference signals obtained by detecting the interference light between the measurement light S1 and the reference light S2 using the first photodetector 260, and the time difference between interference signals obtained by detecting the interference light between the reflected light S1C ' from the measurement surface 250 and the reflected light S2C' from the reference surface 255 using the second photodetector 270.
このレーザー距離計200では、測定光S1と参照光S2が第1、2の光検出器260、270において各干渉光として検出されるまでにプリズムユニット230内で経験する光学距離の差はそれぞれ互いに等しく、上記プリズムユニット230の温度が変化しても、上記第1、2の光検出器260、270において検出される各干渉光の相対関係は一定であり、高精度な光干渉観測を行うことができ、第1の光検出器260により検出された干渉信号と第2の光検出器270により検出された干渉信号から信号処理部280により変位、距離又は分布などの計測値を求めることができる。 In this laser rangefinder 200, the difference in optical distance experienced within the prism unit 230 until the measurement light S1 and reference light S2 are detected as each interference light in the first and second photodetectors 260, 270 is equal to each other, and even if the temperature of the prism unit 230 changes, the relative relationship between the each interference light detected in the first and second photodetectors 260, 270 is constant, making it possible to perform high-precision optical interference observation, and the signal processing unit 280 can obtain measurement values such as displacement, distance, or distribution from the interference signal detected by the first photodetector 260 and the interference signal detected by the second photodetector 270.
従来、投光部から変調光を測定対象物に照射して、該測定対象物により反射されて戻ってきた上記変調光を受光部で検出することにより得られる測定信号の時間遅れから、上記測定対象物までの距離を信号処理部により算出する光学式距離計では、光源から空間に出射される変調光を平行光に変換するコリメータや受光部で入射される変調光を収束光に変換するフォーカサーなどの光学系として光学レンズを用いる屈折光学系が採用されていた。 Conventionally, optical distance meters that irradiate a measurement object with modulated light from a light-projecting unit, detect the modulated light reflected by the measurement object and return to the measurement object with a light-receiving unit, and use a signal processing unit to calculate the distance to the measurement object from the time delay of the measurement signal obtained by the detection. In these optical systems, refractive optical systems using optical lenses as optical systems such as a collimator that converts the modulated light emitted from a light source into parallel light and a focuser that converts the modulated light incident on the light-receiving unit into convergent light have been used.
本件発明者等は、光学式距離計において、伝搬するレーザー光のビームが屈折光学系を通過するとき経験する群速度光路差距離の差が光学距離測定歪にどの様に影響するかを検討した。 The inventors of this invention have investigated how the difference in group velocity optical path difference distance experienced by a propagating laser light beam as it passes through a refractive optical system affects optical distance measurement distortion in an optical distance meter.
具体的には、先に提案した特許文献1に係るレーザー距離計200の偏波保存コリメータ211,212を通過するビームが経験する群速度光路差距離の差がビーム内でどのように分布しているかを検討し、それが光学距離測定歪にどの様に影響するかを検討した。 Specifically, we investigated how the difference in group velocity optical path difference distance experienced by the beam passing through the polarization-preserving collimators 211, 212 of the laser rangefinder 200 proposed in the previously published Patent Document 1 is distributed within the beam, and how this affects optical distance measurement distortion.
図13に示すように、屈折率n=1.5712、群屈折率ng=1.5907の硝材で形成されたコリメータレンズについて、焦点位置Aからビームが平行になる位置Bまでの各光線が経験する距離を位相速度と群速度で計算したところ、焦点位置Aから測った位相速度距離と群速度距離のビーム内分布は、図14に示すようになり、ビーム断面内で距離が分布しており、中央と比べて周辺部は距離が短い。 As shown in Figure 13, for a collimator lens made of glass material with a refractive index n = 1.5712 and a group refractive index ng = 1.5907, the distance experienced by each light ray from focal position A to position B where the beam becomes parallel was calculated using phase velocity and group velocity. The distribution of phase velocity distance and group velocity distance measured from focal position A within the beam is as shown in Figure 14, where the distance is distributed within the beam cross section, with the distance being shorter at the periphery compared to the center.
すなわち、コリメータレンズを通過したビームは、位相速度距離が一定値で、図15に示すように、平行ビーム内で等位相面平面になる。 That is, the beam that passes through the collimator lens has a constant phase velocity distance and becomes an equiphase plane within the parallel beam, as shown in Figure 15.
ここで、波長をλ、周波数をfとすると、波数kはk=2π/λで表され、また、角周波数ωはω=2πfで表され、1つの波の位相の等しい点が伝わる速度である位相速度vpはvp=ω/kで表され、二つの波の位相差の等しい点が伝わる速度である群速度vgはvg=dω/dkで表される。真空中では位相速度vpと群速度vgは等しい。また、光コムのパルス波形が伝わる速度は群速度vgである。 Here, if the wavelength is λ and the frequency is f, the wave number k is expressed as k = 2π/λ, the angular frequency ω is expressed as ω = 2πf, the phase velocity vp , which is the speed at which one wave travels at a point where the phase is equal, is expressed as vp = ω/k, and the group velocity vg, which is the speed at which two waves travel at a point where the phase difference is equal, is expressed as vg = dω/dk. In a vacuum, the phase velocity vp and the group velocity vg are equal. Also, the speed at which the pulse waveform of the optical comb travels is the group velocity vg .
真空中での光の速度をcとして、屈折率nの媒質中での位相速度vpはvp=c/nで表され、角周波数ωはω=ck=2πc/λで表される。また、群速度vgはvg=c/ngで表される。ngは群屈折率であり、ng=c/vgで表される。 Assuming that the speed of light in a vacuum is c, the phase velocity vp in a medium with a refractive index n is expressed as vp = c/n, and the angular frequency ω is expressed as ω = ck = 2πc/λ. Furthermore, the group velocity vg is expressed as vg = c/ ng , where ng is the group refractive index and is expressed as ng = c/ vg .
屈折率n、距離Lの媒質中を光が進む場合、位相の等しい点の集まりすなわち等位相面が伝搬する時間は、距離Lに屈折率nをかけた光学距離nLを光速cで割った値τで表される。
τ=L/vp=nL/c
When light travels through a medium with a refractive index n and a distance L, the time it takes for a set of points with equal phase, i.e., an equal phase front, to propagate is expressed as τ, the optical distance nL, which is the distance L multiplied by the refractive index n, divided by the speed of light c.
τ=L/v p =nL/c
一方、位相差の等しい点すなわちパルス波形の包絡線が伝搬する時間は、屈折率の波長依存性を含む以下の式でτgで表される。
τg=L/vg=ngL/c=L(n-λdn/dλ)/c
On the other hand, the point where the phase difference is equal, that is, the time taken for the envelope of the pulse waveform to propagate, is represented by τg in the following equation, which includes the wavelength dependency of the refractive index.
τ g =L/v g =n g L/c=L(n-λdn/dλ)/c
このようにパルス波形の包絡線が伝搬する時間τgには屈折率の波長依存性の項があるため、等位相面が伝搬する時間τとパルス波形の包絡線が伝搬する時間τgには時間差がある。 In this way, since the time τg during which the envelope of the pulse waveform propagates includes a term of the wavelength dependency of the refractive index, there is a time difference between the time τ during which the equiphase front propagates and the time τg during which the envelope of the pulse waveform propagates.
群速度vgは位相速度vpよりも1~2%程度遅く、硝材を通過する光路差に応じてレンズ中心よりもレンズ周辺部の方が速くレンズを通過するので、外側の光が先に進むことになり、図16に示すような構成の評価実験系300を用いて評価したところ、モードフィールド径(MFD)が3.5mmのレーザー光がレンズを通過する場合、レーザー光のビームの中央の位置と、ビーム中心のパワー密度を基準として1/e2のパワー密度まで減衰する外側の位置とでは、3μm程度の距離差がある。 Since the group velocity vg is approximately 1 to 2% slower than the phase velocity vp , and the peripheral part of the lens passes through the lens faster than the center of the lens depending on the optical path difference passing through the glass material, the outer light travels ahead. When evaluation was performed using an evaluation experimental system 300 configured as shown in FIG. 16, when laser light with a mode field diameter (MFD) of 3.5 mm passes through a lens, there is a distance difference of approximately 3 μm between the center position of the laser light beam and the outer position where the power density is attenuated to 1/ e2 based on the power density at the center of the beam.
評価実験系300において、距離計ヘッド301から測定光ビームを調整ミラー302A,302Bと光チョッパ303を介してリトロリフレクタ304の中心に照射し、リトロリフレクタ304により反射されて距離計ヘッド301に戻ってくる測定光ビームは、光チョッパ303により往路と復路でそれぞれ片側から遮蔽されることにより、リトロリフレクタ304の鏡像の関係で点対象に両側から切られる形になり、図17に示すように、全てが戻ってくる状態0から徐々に両側から切られてビームの中央が最後まで残り(状態1~状態5)、光チョッパのブレードから外れる際には、ビームの中央からビームが復活する(状態5~状態9)ことを繰り返す。 In the evaluation experiment system 300, the measurement light beam from the range finder head 301 is irradiated to the center of the retroreflector 304 via the adjustment mirrors 302A and 302B and the optical chopper 303. The measurement light beam is reflected by the retroreflector 304 and returns to the range finder head 301. The optical chopper 303 blocks the measurement light beam from one side on the outward and return paths, so that the beam is cut from both sides in a point-symmetric manner due to the mirror image relationship of the retroreflector 304. As shown in Figure 17, from state 0, where all the beam returns, the beam is gradually cut from both sides, with the center of the beam remaining until the end (states 1 to 5). When the beam leaves the blades of the optical chopper, the beam is restored from the center of the beam (states 5 to 9). This process is repeated.
評価実験系300において、リトロリフレクタ304までの距離を繰り返し測定した結果を図18に示すように、距離計ヘッド301に戻ってくる測定光ビームが状態0から状態9まで変化する過程で、下側に凸の距離変動が生じており、計測可能区間の中央ではビーム全体が計測に使用される状態で周辺部のビームを含むことにより距離が短くなっているのに対し、距離が測れなくなる境界付近では測定光ビームの中央だけで距離を測ってる状態なので距離が長くなっている。 In the evaluation experimental system 300, the distance to the retroreflector 304 was repeatedly measured, and the results are shown in Figure 18. As the measurement light beam returning to the range finder head 301 changes from state 0 to state 9, a downward convex distance fluctuation occurs, and in the center of the measurable section, the entire beam is used for measurement, including the peripheral beam, resulting in a shorter distance, whereas near the boundary where the distance cannot be measured, the distance is longer because only the center of the measurement light beam is used to measure the distance.
このように光学式距離計において、測定光ビームの断面で群遅延の分布ができていると、ビームの中央部と周辺部で数μmの距離差が発生することがあることが判明した。また、ビーム断面の一部分だけ検出された場合、鏡やリトロリフレクタでビームの全部を検出した場合と比べて数μmの距離誤差が発生する場合があることが判明した。 In this way, it was found that in optical distance meters, if there is a distribution of group delay in the cross section of the measurement light beam, a distance difference of several μm may occur between the center and periphery of the beam. It was also found that if only a portion of the beam cross section is detected, a distance error of several μm may occur compared to when the entire beam is detected with a mirror or retroreflector.
そこで、本発明は、上述の如き従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、光学式距離計において、伝搬するレーザー光のビームが屈折光学系を通過するとき経験する群速度光路差距離の差、すなわち、測定光ビームの断面での群遅延の分布に起因する測定誤差をなくして、高精度に距離を計測できるようにすることにある。 The present invention was devised in consideration of the above-mentioned problems of the conventional technology, and its purpose is to enable highly accurate distance measurement in an optical range finder by eliminating measurement errors caused by the difference in group velocity optical path difference distance experienced when a propagating laser light beam passes through a refractive optical system, i.e., the distribution of group delay in the cross section of the measurement light beam.
また、本発明の他の目的は、ビーム面積の一部を検出してもビーム全体を検出した場合と同じ距離を計測できるようにすることにある。 Another object of the present invention is to make it possible to measure the same distance by detecting only a portion of the beam area as when the entire beam is detected.
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。 Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of the embodiments described below.
本発明では、測定光ビームの断面での群遅延の分布をなくすために、屈折光学系に代えて反射型光学系を用いる。 In the present invention, a reflective optical system is used instead of a refractive optical system to eliminate the distribution of group delay in the cross section of the measurement light beam.
すなわち、本発明は、光学式距離計であって、強度又は位相が周期的に変調された光を測定光として測定対象物に照射する反射光学系からなる投光部と、上記投光部から出射される測定光で測定対象物を走査する反射型走査光学系と、上記投光部から上記反射型走査光学系を介して上記測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系から上記投光部を介して戻ってきた測定光を強度又は位相が周期的に変調された参照光と重ね合わせる干渉光学系と、上記干渉光学系により得られる上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を受光する受光部と、上記受光部による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号である測定信号が入力される信号処理部とを備え、上記干渉光学系は、上記投光部から上記反射型走査光学系を介して上記測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系から上記投光部を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を上記受光部に入射させ、上記信号処理部は、上記測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記測定対象物までの距離を算出し、上記測定対象物の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得ることを特徴とする。
本発明に係る光学式距離計において、上記反射光学系からなる投光部は、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価する評価実験系により群遅延分布が評価済であるものとすることができる。
That is, the present invention is an optical range finder, comprising: a light- projecting unit consisting of a reflection optical system that irradiates a measurement object with light whose intensity or phase is periodically modulated as measurement light; a reflection scanning optical system that scans the measurement object with the measurement light emitted from the light-projecting unit; an interference optical system that superimposes the measurement light, which is among the measurement light irradiated from the light-projecting unit through the reflection scanning optical system to the measurement object and is reflected by the measurement object and returned from the reflection scanning optical system through the light-projecting unit, on a reference light whose intensity or phase is periodically modulated; a light-receiving unit that receives interference light between the measurement light and the reference light that is reflected by the measurement object and returned by the measurement object, obtained by the interference optical system; and and a signal processing unit to which a measurement signal, which is an interference signal obtained as a detection output of the above-mentioned, is input, wherein the interference optical system causes interference light between the measurement light and the reference light, which is reflected by the measurement object and returned from the reflective scanning optical system via the light projecting unit, to be incident on the light receiving unit, among the measurement light irradiated from the light projecting unit to the measurement object via the reflective scanning optical system, and the signal processing unit calculates the distance to the measurement object by analyzing the measurement signal based on the relative relationship between the measurement signal and a reference signal which is a signal that generates the measurement light or reference light or a signal generated by the measurement light or reference light , and measures absolute distances to multiple points on the measurement object to obtain a stereoscopic image .
In the optical rangefinder according to the present invention, the light-projecting unit consisting of the reflective optical system can be one in which the group delay distribution has been evaluated by an evaluation experimental system which irradiates a measurement light beam onto the center of a retroreflector via an optical chopper and evaluates the group delay distribution on a cross section of the measurement light beam reflected by the retroreflector and returning via the optical chopper.
本発明に係る光学式距離計において、上記投光部に備えられる反射光学系は、光出力端からから空間に放射される変調光を平行光に変換する反射型コリメータであり、上記光出力端は、光の発生源から空間に光を出力する部分または光の発生源から光導波路で延長された光路の終端部で空間に光を出力する部分であるものとすることができる。 In the optical rangefinder according to the present invention, the reflective optical system provided in the light projecting section is a reflective collimator that converts modulated light emitted from the light output end into space into parallel light, and the light output end can be a part that outputs light from a light source into space or a part that outputs light into space at the end of an optical path extended from the light source by an optical waveguide.
また、本発明に係る光学式距離計は、上記反射光学系として、変調光を平行光に変換する反射型コリメータを上記投光部に備えるとともに、上記干渉光学系により得られる干渉光を収束光に変換して受光素子に入射させる反射型フォーカサーを上記受光部に備えるものとすることができる。 The optical rangefinder according to the present invention may further include, as the reflective optical system, a reflective collimator in the light-projecting section that converts modulated light into parallel light, and a reflective focuser in the light-receiving section that converts the interference light obtained by the interference optical system into convergent light and makes it incident on the light-receiving element.
また、本発明に係る光学式距離計は、上記投光部から出射される測定光で上記測定対象物体を走査する反射型走査光学系を備え、上記干渉光学系は、上記測定対象物により反射されて上記走査光学系を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を上記受光部に入射させるものとすることができる。 The optical range finder according to the present invention also includes a reflective scanning optical system that scans the measurement object with the measurement light emitted from the light projecting unit, and the interference optical system can cause interference light between the measurement light and the reference light that is reflected by the measurement object and returned via the scanning optical system to be incident on the light receiving unit.
また、本発明に係る光学式距離計において、上記干渉光学系は、上記光源から上記投光部を介して測定光として出射される変調光を参照光と測定光とに分離し、基準光路を通過させた上記参照光と、測定光を上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光とを重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。 In addition, in the optical range finder according to the present invention, the interference optical system can separate modulated light emitted as measurement light from the light source via the light projector into reference light and measurement light, irradiate the reference light that has passed through a reference optical path with the measurement light that has been reflected by the measurement object and returned, and superimpose the measurement light to obtain interference light.
また、本発明に係る光学式距離計は、上記光出力端から空間に放射された変調光が分岐されて入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と、他方の投光部から出射される変調光を参照光として上記測定光とを重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。 The optical rangefinder according to the present invention also includes two light-projecting units, each consisting of a reflection optical system, into which the modulated light emitted from the optical output terminal into space is branched and incident, and the interference optical system irradiates the modulated light emitted from one of the light-projecting units as measurement light onto the object to be measured, and superimposes the measurement light reflected back by the object to be measured and the modulated light emitted from the other light-projecting unit as reference light to obtain interference light.
また、本発明に係る光学式距離計は、互いに可干渉性のある変調光を空間に放射する2台の光源と、上記2台の光源から空間に放射された変調光が入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光に、他方の投光部から出射される変調光を参照光として重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。 The optical rangefinder according to the present invention also includes two light sources that emit coherent modulated light into space, and two light-projecting units, each consisting of a reflection optical system into which the modulated light emitted into space from the two light sources is incident. The interference optical system irradiates the measured object with the modulated light emitted from one of the light-projecting units as measurement light, and superimposes the measured light reflected back by the measured object with the modulated light emitted from the other light-projecting unit as reference light to obtain interference light.
また、本発明に係る光学式距離計は、上記光出力端から空間に放射された変調光が分岐されて入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と、他方の投光部から出射され上記基準光路を通過させた変調光を参照光として重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。 The optical rangefinder according to the present invention also includes two light-projecting sections, each of which is a reflection optical system into which the modulated light emitted from the optical output end into space is branched and incident, and the interference optical system irradiates the modulated light emitted from one of the light-projecting sections as measurement light onto the object to be measured, and superimposes the measurement light reflected back by the object to be measured and the modulated light emitted from the other light-projecting section and passed through the reference optical path as reference light to obtain interference light.
また、本発明に係る光学式距離計は、上記一方の投光部から測定光として出射された変調光と上記他方の投光部から参照光として出射された変調光を重ね合わせた参照干渉光を受光する参照用受光部を備え、上記干渉光学系は、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光に、他方の投光部から出射される変調光を参照光として重ね合わせて測定干渉光を得て上記受光部に入射させるとともに、上記一方の投光部から測定光として出射された変調光と上記他方の投光部から参照光として出射された変調光を重ね合わせた参照干渉光を得て上記参照用受光部に入射させ、上記信号処理部は、上記受光部による上記測定干渉光の検出出力として得られる測定信号と上記参照用受光部による上記参照干渉光の検出出力をとして得られる参照信号との時間差から、上記測定対象物までの距離を算出するものとすることができる。 The optical distance meter according to the present invention further includes a reference light receiving unit that receives reference interference light obtained by superimposing the modulated light emitted from one of the light projectors as measurement light and the modulated light emitted from the other light projector as reference light, and the interference optical system superimposes the modulated light emitted from the other light projector as reference light on the measurement light reflected and returned by the object to be measured to obtain measurement interference light, which is incident on the light receiving unit, and also obtains reference interference light obtained by superimposing the modulated light emitted from one of the light projectors as measurement light and the modulated light emitted from the other light projector as reference light, which is incident on the reference light receiving unit, and the signal processing unit calculates the distance to the object to be measured from the time difference between the measurement signal obtained as the detection output of the measurement interference light by the light receiving unit and the reference signal obtained as the detection output of the reference interference light by the reference light receiving unit.
また、本発明に係る光学式距離計において、上記参照用受光部は、上記干渉光学系により得られる参照干渉光を収束光に変換して受光素子に入射させる反射型フォーカサーを上記参照用受光部に備えるものとすることができる。 In addition, in the optical rangefinder according to the present invention, the reference light receiving unit can be equipped with a reflective focuser that converts the reference interference light obtained by the interference optical system into convergent light and makes it incident on the light receiving element.
また、本発明に係る光学式距離計において、上記2台の光源は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出力する光コム光源であり、上記干渉光学系は光コム干渉計であるものとすることができる。 In the optical range finder according to the present invention, the two light sources are optical comb light sources that output measurement light and reference light whose intensity or phase is periodically modulated and whose modulation periods are different from each other, and the interference optical system can be an optical comb interferometer.
さらに、本発明に係る光学式距離計において、上記光コム干渉計はファイバー型光コム干渉計であり、上記ファイバー型光コム干渉計を介して空間に放射される測定光を上記測定対象物に照射して、上記測定対象物により反射されて戻ってきた測定光を上記ファイバー型光コム干渉計に入射させる反射型光学系を備えるものとすることができる。
また、本発明は、光学式距離計の投光部から出射される測定光の群遅延分布を評価する評価方法であって、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価する特徴とする。
Furthermore, in the optical range finder according to the present invention, the optical comb interferometer may be a fiber-optic comb interferometer, and may include a reflective optical system that irradiates measurement light emitted into space via the fiber-optic comb interferometer onto the object to be measured, and causes the measurement light reflected by the object to be measured and returned to be incident on the fiber-optic comb interferometer.
The present invention also provides a method for evaluating the group delay distribution of measurement light emitted from a light-projecting unit of an optical rangefinder, characterized in that a measurement light beam is irradiated onto the center of a retroreflector via an optical chopper, and the group delay distribution is evaluated in a cross section of the measurement light beam reflected by the retroreflector and returning via the optical chopper .
本発明に係る光学式距離計では、光学レンズを用いる屈折光学系と異なり、光の経路が分散の少ない空気を通ることにより、ビーム断面で群遅延の分布ができにくい平面、凹面、凸面など反射鏡による反射型光学系を屈折光学系に代えて用いるので、測定光ビームの断面での群遅延の分布に起因する測定誤差をなくして、高精度に距離を計測できる。 In the optical rangefinder of the present invention, unlike refractive optics using optical lenses, the light path passes through air with little dispersion, and instead of refractive optics, a reflective optics using mirrors with flat, concave, or convex surfaces, which are less likely to produce a group delay distribution in the beam cross section, is used. This eliminates measurement errors caused by the distribution of group delay in the cross section of the measurement light beam, and allows for highly accurate distance measurements.
また、本発明に係る光学式距離計では、測定光ビームの断面での群遅延の分布に起因する測定誤差をなくすことにより、ビーム面積の一部を検出してもビーム全体を検出した場合と同じ距離を計測することができる。 In addition, the optical rangefinder of the present invention can eliminate measurement errors caused by the distribution of group delay in the cross section of the measurement light beam, making it possible to measure the same distance by detecting only a portion of the beam area as when the entire beam is detected.
すなわち、本発明に係る光学式距離計では、干渉光学系は反射光学系からなる投光部から反射型走査光学系を介して測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系から上記投光部を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を受光部に入射させるので、上記反射光学系からなる投光部において測定光のビーム断面で群遅延の分布ができにくく、また、上記投光部から出射される測定光で測定対象物を走査する反射型走査光学系においても、測定光および反射光のビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記測定対象物の表面までの絶対距離を高精度に計測することができ、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定することができる。That is, in the optical distance meter of the present invention, the interference optical system causes the interference light between the measurement light and the reference light, which is reflected by the measurement object and returned from the reflective scanning optical system through the light projecting unit from the light projecting unit consisting of a reflective optical system, to be incident on the light receiving unit. Therefore, a group delay distribution is unlikely to occur in the beam cross section of the measurement light in the light projecting unit consisting of the reflective optical system. Also, in the reflective scanning optical system that scans the measurement object with the measurement light emitted from the light projecting unit, a group delay distribution is unlikely to occur in the beam cross section of the measurement light and the reflected light, and there is no group velocity optical path difference, so that the absolute distance to the surface of the measurement object can be measured with high accuracy, and the three-dimensional shape of the object can be measured non-contact by accumulating the beam irradiation position and the absolute distance to that location for multiple points.
また、本発明に係る光学式距離計の投光部から出射される測定光の群遅延分布を評価する評価方法では、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価することで、上記光学式距離計の投光部から出射される測定光の群遅延分布を評価することができる。In addition, in an evaluation method for evaluating the group delay distribution of measurement light emitted from the light-projecting unit of an optical rangefinder according to the present invention, a measurement light beam is irradiated onto the center of a retroreflector via an optical chopper, and the group delay distribution is evaluated at the cross section of the measurement light beam reflected by the retroreflector and returning via the optical chopper, thereby making it possible to evaluate the group delay distribution of the measurement light emitted from the light-projecting unit of the optical rangefinder.
したがって、本発明によれば、投光部から出射される測定光の群遅延分布が評価済の光学式距離計として、高品質の光学式距離計を提供することができる。Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a high-quality optical rangefinder in which the group delay distribution of the measurement light emitted from the light-projecting unit has been evaluated.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. Common components are described with common reference numerals in the drawings. Furthermore, the present invention is not limited to the following examples, and can be modified as desired without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、例えば図1に示すような構成のレーザー距離計100に適用される。 The present invention is applied to a laser rangefinder 100 having a configuration such as that shown in FIG.
このレーザー距離計100は、先に提案した特許文献1に係るレーザー距離計に本発明を適用したもので、反射型(偏波保存)コリメータ111を介してS偏光の測定光S1を出射する第1の光源110と、反射型(偏波保存)コリメータ112を介してS偏光の参照光S2を出射する第2の光源120と、上記S偏光の測定光S1と参照光S2が、1/2波長(λ/2)板113,114を介して偏光方向を調整されて入射されるプリズムユニット130を備える。 This laser rangefinder 100 is an application of the present invention to the laser rangefinder proposed in the previously-mentioned Patent Document 1, and includes a first light source 110 that emits S-polarized measurement light S1 via a reflective (polarization-preserving) collimator 111, a second light source 120 that emits S-polarized reference light S2 via a reflective (polarization-preserving) collimator 112, and a prism unit 130 into which the S-polarized measurement light S1 and reference light S2 are incident with their polarization directions adjusted via half-wavelength (λ/2) plates 113 and 114.
すなわち、このレーザー距離計100は、測定光S1を出射する第1の光源110と、参照光S2を出射する第2の光源120と、上記第1の光源110から出射された測定光S1と上記第2の光源120から出射された参照光S2が入射されるプリズムユニット130と、上記第1の光源110から出射された測定光S1が上記プリズムユニット130を介して照射される測定面150と、上記第2の光源120から出射された参照光S2が上記プリズムユニット130を介して照射される基準面155と、上記第1の光源110から出射された測定光S1と上記第2の光源120から出射された参照光S2が上記プリズムユニット130を介して重ね合わされて入射され、上記測定光S1と参照光S2との干渉光を検出する第1の光検出器160と、上記測定面150に照射された測定光の上記測定面150による反射光と上記基準面155に照射された参照光の上記基準面155による反射光が上記プリズムユニット130を介して重ね合わされて入射され、上記測定光の反射光と上記参照光の反射光との干渉光を検出する第2の光検出器170と、上記第1の光検出器160により検出された干渉信号と上記第2の光検出器170より検出された干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準面155までの距離と上記測定面150までの距離の差を求める信号処理部180とを備える。 That is, the laser distance meter 100 includes a first light source 110 which emits a measurement light S1 , a second light source 120 which emits a reference light S2 , a prism unit 130 into which the measurement light S1 emitted from the first light source 110 and the reference light S2 emitted from the second light source 120 are incident, a measurement surface 150 onto which the measurement light S1 emitted from the first light source 110 is irradiated via the prism unit 130, a reference surface 155 onto which the reference light S2 emitted from the second light source 120 is irradiated via the prism unit 130, and a reference surface 155 into which the measurement light S1 emitted from the first light source 110 and the reference light S2 emitted from the second light source 120 are superimposed via the prism unit 130 and incident, and the measurement light S1 and the reference light S2 are incident via the prism unit 130. 2 , a second photodetector 170 which detects interference light between the reflected light of the measurement light and the reflected light of the reference light, which are incident on the measurement surface 150 and the reference surface 155 and are superimposed via the prism unit 130, and which detects interference light between the reflected light of the measurement light and the reflected light of the reference light, and a signal processing unit 180 which calculates a difference between the distance to the reference surface 155 and the distance to the measurement surface 150 from the speed of light and the refractive index at the measurement wavelength, based on the time difference between the interference signal detected by the first photodetector 160 and the interference signal detected by the second photodetector 170.
上記第1及び第2の光源110,120 は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光S1と参照光S2を出射するものであって、それぞれ周期的に強度又は位相を変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光S1と参照光S2を出射するための光変調器を備える2台の光源、光周波数コムモード間隔が異なる2台の光周波数コム発生器、或いは、光パルス繰り返し周波数が異なる2台のパルス光源からなる。 The first and second light sources 110, 120 each emit a coherent measurement light S1 and a reference light S2 whose intensity or phase is periodically modulated and whose modulation periods are different from each other. ... modulation periods are different from each other. The first and second light sources 110, 120 each emit a coherent measurement light S1 and a reference light S2 .
反射型(偏波保存)コリメータ111,112は、第1、第2の光源110,120から空間に放射されるS偏光の測定光S1、参照光S2を発散光から平行光に変換する投光部として機能する反射型光学素子であって、例えば図2に示すように、放物面鏡111a,112aからなり、光学レンズを用いる屈折光学系と異なり、光の経路が分散の少ない空気を通るので、ビーム断面で群遅延の分布ができにくい。 The reflective (polarization-preserving) collimators 111, 112 are reflective optical elements that function as light projecting sections that convert the S-polarized measurement light S1 and reference light S2 emitted into space from the first and second light sources 110, 120 from divergent light to parallel light, and are composed of parabolic mirrors 111a, 112a as shown in FIG. 2, for example. Unlike a refractive optical system that uses optical lenses, the light path passes through air with little dispersion, so that group delay distribution is less likely to occur in the beam cross section.
このレーザー距離計100において、第1、第2の光源110,120から反射型(偏波保存)コリメータ111,112を介して発散光から平行光に変換されてプリズムユニット130に入射されるS偏光の測定光S1,参照光S2は、光の経路が分散の少ない空気を通るので、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことなくプリズムユニット130に入射される。 In this laser rangefinder 100, the S-polarized measurement light S1 and reference light S2 are converted from divergent light to parallel light from the first and second light sources 110 , 120 via reflective (polarization-preserving) collimators 111, 112 and then incident on the prism unit 130.Since the light path passes through air, which has little dispersion, the beam cross section is unlikely to have a distribution of group delay, and the light is incident on the prism unit 130 without a group velocity optical path difference.
上記プリズムユニット130は、図3に示すように、第1の台形プリズム131、第1の直角プリズム132、第2の直角プリズム133、第3の直角プリズム134、第2の台形プリズム135、第4の直角プリズム136を貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムである。 As shown in FIG. 3, the prism unit 130 is an interferometer prism having a structure in which a first trapezoidal prism 131, a first right-angle prism 132, a second right-angle prism 133, a third right-angle prism 134, a second trapezoidal prism 135, and a fourth right-angle prism 136 are bonded together to form an integrated structure.
このレーザー距離計100において、上記プリズムユニット130は、光路に対して直角をなし互いに直角をなす二つの面131a,131bと光路に対して45°をなし一方の面にビームスプリッタ膜142Aが形成され互いに平行な二つの面131c,131dとを有する第1の台形プリズム131と、上記第1の台形プリズム131の上記ビームスプリッタ膜142Aが形成された面131dに、上記ビームスプリッタ膜142Aを挟んで斜面132cが貼り合わされた第1の直角プリズム132と、一方の斜面に偏光ビームスプリッタ膜143が形成され、上記偏光ビームスプリッタ膜143を挟んで斜面133c,134cが貼り合わされた第2の直角プリズム133と第3の直角プリズム134と、光路に対して直角をなし互いに直角をなす二つの面135a,135bと光路に対して45°をなし一方の面にビームスプリッタ膜142Bが形成され互いに平行な二つの面135c,135dとを有する第2の台形プリズム135と、上記第2の台形プリズム135の上記ビームスプリッタ膜142Bが形成された面135dに、上記ビームスプリッタ膜142Bを挟んで斜面136cが貼り合わされた第4の直角プリズム136とを備える。 In this laser distance meter 100, the prism unit 130 includes a first trapezoidal prism 131 having two surfaces 131a and 131b that are perpendicular to the optical path and perpendicular to each other, and two surfaces 131c and 131d that are parallel to each other and are at 45° to the optical path, with a beam splitter film 142A formed on one surface, and a first right-angle prism 132 having an inclined surface 132c bonded to the surface 131d of the first trapezoidal prism 131 on which the beam splitter film 142A is formed, sandwiching the beam splitter film 142A, and a polarizing beam splitter film 143 formed on one of the inclined surfaces, and the polarizing beam splitter film 143 is formed on the polarizing beam splitter film 142A. The device is equipped with a second right-angle prism 133 and a third right-angle prism 134 in which the inclined surfaces 133c and 134c are bonded together with a beam splitter film 143 in between, a second trapezoidal prism 135 having two faces 135a and 135b that are perpendicular to the optical path and perpendicular to each other, and two faces 135c and 135d that are parallel to each other and are at 45° to the optical path, with a beam splitter film 142B formed on one face, and a fourth right-angle prism 136 in which the inclined surface 136c is bonded to the face 135d of the second trapezoidal prism 135 on which the beam splitter film 142B is formed, with the beam splitter film 142B in between.
上記第1の台形プリズム131の長辺側の面131cは全反射面141Aとして機能する。同様に、上記第2の台形プリズム135の長辺側の面135cは全反射面141Bとして機能する。 The surface 131c on the long side of the first trapezoidal prism 131 functions as a total reflection surface 141A. Similarly, the surface 135c on the long side of the second trapezoidal prism 135 functions as a total reflection surface 141B.
そして、このプリズムユニット130は、上記第1の台形プリズム131の光路に対して直角をなす二つの面131a,131bの一方の面及び上記第1の直角プリズム132の直角をなす二つの面132a,132bの一方の面が、上記ビームスプリッタ膜142Aと偏光ビームスプリッタ膜143が互いに直角となるように、上記第1の直角プリズム132の直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされるとともに、上記第2の台形プリズム135の光路に対して直角をなす二つの面132a,132bの一方の面及び上記第4の直角プリズム136の直角をなす二つの面136a,136bの一方の面が、上記ビームスプリッタ膜142Bと偏光ビームスプリッタ膜143が互いに平行となるように、上記第2の直角プリズム133の直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされている。 In the prism unit 130, one of the two surfaces 131a and 131b that are perpendicular to the optical path of the first trapezoidal prism 131 and one of the two surfaces 132a and 132b that are perpendicular to the optical path of the first rectangular prism 132 are attached to one of the two surfaces that are perpendicular to the optical path of the first rectangular prism 132 so that the beam splitter film 142A and the polarizing beam splitter film 143 are perpendicular to each other. At the same time, one of the two faces 132a, 132b that are perpendicular to the optical path of the second trapezoidal prism 135 and one of the two faces 136a, 136b that are perpendicular to the optical path of the fourth rectangular prism 136 are bonded to one of the two faces that are perpendicular to the second rectangular prism 133 so that the beam splitter film 142B and the polarizing beam splitter film 143 are parallel to each other.
上記プリズムユニット130は、上記第1の台形プリズム131 、第1の直角プリズム132、第2の直角プリズム133、第3の直角プリズム134、第2の台形プリズム135、第4の直角プリズム136を貼り合わせて一体化することにより構成した台形プリズムであって、その台形プリズムの上部の面と底部の面に反射防止(AR)144 ,145が蒸着されている。 The prism unit 130 is a trapezoidal prism formed by bonding together the first trapezoidal prism 131, the first right-angle prism 132, the second right-angle prism 133, the third right-angle prism 134, the second trapezoidal prism 135, and the fourth right-angle prism 136, and anti-reflection (AR) films 144, 145 are vapor-deposited on the top and bottom surfaces of the trapezoidal prism.
そして、このレーザー距離計100において、上記第1の光源110は、反射型(偏波保存)コリメータ111を介してS偏光の測定光S1を出射し、また、上記第2の光源120は、反射型(偏波保存)コリメータ112を介してS偏光の参照光S2を出射する。上記S偏光の測定光S1と参照光S2は、1/2波長(λ/2)板113,114を介して偏光方向を調整されて上記プリズムユニット130 に入射される。 In the laser rangefinder 100, the first light source 110 emits S-polarized measurement light S1 via a reflective (polarization-preserving) collimator 111, and the second light source 120 emits S-polarized reference light S2 via a reflective (polarization-preserving) collimator 112. The S-polarized measurement light S1 and reference light S2 have their polarization directions adjusted via half-wavelength (λ/2) plates 113 and 114, and are then incident on the prism unit 130.
上記プリズムユニット130に入射された測定光S1と参照光S2は、上記第2の直角プリズム133の直角をなす二つの面133a,133bの一方の面133aを介して上記偏光ビームスプリッタ膜143に入射され、上記偏光ビームスプリッタ膜143によりそれぞれ二つの測定光S1S,S1Pと参照光S2S,S2Pに分岐される。 The measurement light S1 and reference light S2 incident on the prism unit 130 are incident on the polarizing beam splitter film 143 via one surface 133a of the two perpendicular surfaces 133a, 133b of the second rectangular prism 133, and are split by the polarizing beam splitter film 143 into two measurement light beams S1S , S1P and reference light beams S2S , S2P, respectively.
上記偏光ビームスプリッタ膜143により反射された一方の偏光の測定光S1Sは、ビームスプリッタ膜142Aに入射され、このビームスプリッタ膜142Aにより上記一方の偏光の測定光S1Sが1:1の比率で二つの測定光S11,S12に分岐される。 The measuring light S 1S of one polarized light reflected by the polarizing beam splitter film 143 is incident on the beam splitter film 142A, which splits the measuring light S 1S of one polarized light into two measuring light S 11 and S 12 at a ratio of 1:1.
上記ビームスプリッタ膜142Aにより1:1の比率で二つに分岐された測定光S11,S12は、一方の測定光S11が上記第1の直角プリズム132の光路に対して直角をなす面132aを介して出射されて第2の光検出器170に入射され、また、他方の測定光S12が上記全反射面141Aとして機能する面131cにより反射されて90°折り曲げられて上記第1の台形プリズム131の光路に対して直角をなす面131aを介して出射されて上記第2の光検出器170に入射される。 Of the measurement beams S11 and S12 split into two at a 1:1 ratio by the beam splitter film 142A, one measurement beam S11 is emitted through the surface 132a perpendicular to the optical path of the first rectangular prism 132 and enters the second photodetector 170, and the other measurement beam S12 is reflected by the surface 131c functioning as the total reflection surface 141A, bent 90°, and emitted through the surface 131a perpendicular to the optical path of the first trapezoidal prism 131 and enters the second photodetector 170.
また、上記偏光ビームスプリッタ膜143を透過した他方の偏光の測定光S1Pは、上記第2の直角プリズム133の光路に対して直角をなす面133aから出射され、1/4波長(λ/4)板115を介して円偏光の測定光S1Cにされて上記測定面150に照射される。 The other polarized measuring light S1P transmitted through the polarizing beam splitter film 143 is emitted from a surface 133a of the second rectangular prism 133 that is perpendicular to the optical path, and is converted into a circularly polarized measuring light S1C via a quarter-wavelength (λ/4) plate 115, which is then irradiated onto the measurement surface 150.
上記測定面150により垂直に反射された反射光S1C’が、上記1/4波長(λ/4)板115を介して上記プリズムユニット130の上記偏光ビームスプリッタ膜143に戻され、上記偏光ビームスプリッタ膜143により反射された一方の偏光の反射光S1S’がビームスプリッタ膜142Bに入射され、このビームスプリッタ膜142Bにより上記一方の偏光の反射光S1S’が1:1の比率で二つの反射光S11’,S12’に分岐される。 The reflected light S 1C ' reflected vertically by the measurement surface 150 is returned to the polarizing beam splitter film 143 of the prism unit 130 via the quarter-wavelength (λ/4) plate 115, and the reflected light S 1S ' of one polarized light reflected by the polarizing beam splitter film 143 is incident on the beam splitter film 142B, which splits the reflected light S 1S ' of one polarized light into two reflected lights S 11 ', S 12 ' in a 1:1 ratio.
上記ビームスプリッタ膜142Bにより1:1の比率で二つに分岐された反射光S11’,S12’ は、一方の反射光S11’が上記第4の直角プリズム136の光路に対して直角をなす面136aを介して出射されて第1の光検出器160に入射され、また、他方の反射光S12’が上記全反射面141B として機能する面135cにより反射されて90°折り曲げられて上記第2の台形プリズム135の光路に対して直角をなす面135aを介して出射されて上記第1の光検出器160に入射される。 Of the reflected light S11 ', S12 ' split into two at a 1:1 ratio by the beam splitter film 142B, one reflected light S11 ' is emitted through surface 136a perpendicular to the optical path of the fourth right-angle prism 136 and enters the first photodetector 160, and the other reflected light S12 ' is reflected by surface 135c functioning as the total reflection surface 141B, bent 90 degrees, and emitted through surface 135a perpendicular to the optical path of the second trapezoidal prism 135 and enters the first photodetector 160.
また、上記偏光ビームスプリッタ膜143により反射された一方の偏光の参照光S2Sは、上記記第2の台形プリズム135の上記全反射面141Bとして機能する面135cにより反射されて90°折り曲げられてビームスプリッタ膜142Aに入射され、このビームスプリッタ膜142Aにより上記一方の偏光の参照光S2Sが1:1の比率で二つの参照光S21,S22に分岐される。 In addition, one of the polarized reference beams S2S reflected by the polarizing beam splitter film 143 is reflected by the surface 135c functioning as the total reflection surface 141B of the second trapezoidal prism 135, bent 90 degrees, and incident on the beam splitter film 142A, and the one of the polarized reference beams S2S is split into two reference beams S21 , S22 in a 1:1 ratio by this beam splitter film 142A.
上記ビームスプリッタ膜142Aにより1:1の比率で二つに分岐された参照光S21,S22は、一方の参照光S21が上記第1の直角プリズム132の光路に対して直角をなす面132aを介して出射されて上記第2の光検出器170に入射され、また、他方の参照光S2が上記全反射面141Aとして機能する面131cにより反射されて90°折り曲げられて上記第1の台形プリズム131の光路に対して直角をなす面131aを介して出射されて上記第2の光検出器170に入射される。 Of the reference beams S21 and S22 split into two at a ratio of 1:1 by the beam splitter film 142A, one reference beam S21 is emitted through the surface 132a perpendicular to the optical path of the first rectangular prism 132 and enters the second photodetector 170, and the other reference beam S2 is reflected by the surface 131c functioning as the total reflection surface 141A, bent by 90°, and emitted through the surface 131a perpendicular to the optical path of the first trapezoidal prism 131 and enters the second photodetector 170.
また、上記偏光ビームスプリッタ膜143を透過した他方の偏光の参照光S2Pは、上記第2の直角プリズム133の光路に対して直角をなす面133aから出射され、1/4波長(λ/4)板116を介して円偏光の測定光S2Cにされて上記基準面155に照射される。 The other polarized reference light S2P that has passed through the polarizing beam splitter film 143 is emitted from the surface 133a of the second rectangular prism 133 that is perpendicular to the optical path, and passes through the quarter-wavelength (λ/4) plate 116 to become circularly polarized measurement light S2C, which is then irradiated onto the reference surface 155.
上記基準面155により垂直に反射された反射光S2C’が、上記1/4波長(λ/4)板116を介して上記プリズムユニット130の上記偏光ビームスプリッタ膜143に戻され、上記偏光ビームスプリッタ膜143により反射された一方の偏光の反射光S2S’が上記第2の台形プリズム135の上記全反射面141Bとして機能する面135cにより反射されて90°折り曲げられてビームスプリッタ膜142Bに入射され、このビームスプリッタ膜142Bにより上記一方の偏光の反射光S2S’が1:1の比率で二つの反射光S21’,S22’に分岐される。 The reflected light S 2C ' reflected vertically by the reference surface 155 is returned to the polarizing beam splitter film 143 of the prism unit 130 via the quarter-wavelength (λ/4) plate 116, and the reflected light S 2S ' of one polarized light reflected by the polarizing beam splitter film 143 is reflected by the surface 135c that functions as the total reflection surface 141B of the second trapezoidal prism 135, bent 90 degrees, and incident on the beam splitter film 142B, and the reflected light S 2S ' of one polarized light is split into two reflected lights S 21 ', S 22 ' in a 1:1 ratio by this beam splitter film 142B.
上記ビームスプリッタ膜142Bにより1:1の比率で二つに分岐された反射光S21’,S22’は、一方の反射光S21’が上記第4の直角プリズム136の光路に対して直角をなす面136aを介して出射されて第1の光検出器160に入射され、また、他方の反射光S22’が上記全反射面141Bとして機能する面135cにより反射されて90°折り曲げられて上記第2の台形プリズム135の光路に対して直角をなす面135aを介して出射されて上記第1の光検出器160に入射される。 Of the reflected light S21 ', S22 ' split into two at a 1:1 ratio by the beam splitter film 142B, one reflected light S21 ' is emitted through surface 136a perpendicular to the optical path of the fourth right-angle prism 136 and enters the first photodetector 160, and the other reflected light S22 ' is reflected by surface 135c functioning as the total reflection surface 141B, bent 90°, and emitted through surface 135a perpendicular to the optical path of the second trapezoidal prism 135 and enters the first photodetector 160.
また、上記第1の光検出器160は、上記測定面150からの反射光S1C’と上記基準面155からの反射光S2C’の干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット130の第2の台形プリズム135に形成されているビームスプリッタ膜142Bにおいて重ね合わされてそれぞれ二つに分岐された反射光S11’,S12’と反射光S21’,S22’との各干渉光を二個のフォトディテクタ161A,161Bにより検出し、その差分を差動検出器162により検出するようになっている。 In addition, the first photodetector 160 detects the interference light between the reflected light S 1C ' from the measurement surface 150 and the reflected light S 2C ' from the reference surface 155, and detects the interference lights of the reflected lights S 11 ', S 12 ' and the reflected lights S 21 ', S 22 ' which are superimposed and split into two by the beam splitter film 142B formed on the second trapezoidal prism 135 of the prism unit 130 by two photodetectors 161A, 161B, and the difference between them is detected by a differential detector 162.
上記第2の光検出器170は、上記測定光S1と上記参照光S2との干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット130の第1の台形プリズム131に形成されているビームスプリッタ膜142Aにおいて重ね合わされて二つに分岐された測定光S11,S12と参照光S21,S22との各干渉光を二個のフォトディテクタ171A,171Bにより検出し、その差分を差動検出器172 により検出するようになっている。 The second photodetector 170 detects the interference light between the measurement light S1 and the reference light S2 , and detects the interference light between the measurement light S11 , S12 and the reference light S21, S22 , which are superimposed and split into two by the beam splitter film 142A formed on the first trapezoidal prism 131 of the prism unit 130 , by two photodetectors 171A, 171B, and detects the difference between them by a differential detector 172.
上記信号処理部180は、上記第2の光検出器170により上記測定光S1と上記参照光S2との干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差と、上記第1の光検出器160により上記測定面150からの反射光S1C’と上記基準面155からの反射光S2C’の干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差に基づいて、光速と測定波長における屈折率、群屈折率から上記基準面155までの距離と上記測定面150までの距離の差を求める処理を行う。 The signal processing unit 180 performs processing to determine the speed of light, the refractive index at the measurement wavelength, and the difference between the distance to the reference surface 155 and the distance to the measurement surface 150 from the group refractive index, based on the time difference between the interference signals obtained by detecting the interference light between the measurement light S1 and the reference light S2 by the second photodetector 170, and the time difference between the interference signals obtained by detecting the interference light between the reflected light S1C' from the measurement surface 150 and the reflected light S2C' from the reference surface 155 by the first photodetector 160.
このレーザー距離計100では、上記プリズムユニット130すなわち台形プリズムの高さをhとすると、上記第1の光源110から出射された測定光S1が上記プリズムユニット130に入射し、上記第2の光検出器170に入射されるまでに上記プリズムユニット130内を伝搬する光学距離は、測定光S11が2h 、測定光S12が2.5hであり、上記第1の光源110から出射された測定光S1が上記プリズムユニット130に入射し、上記第1の光検出器160に入射されるまでに上記プリズムユニット130内を伝搬する光学距離は、反射光S11’が3h、反射光S12’が3.5hである。 In this laser rangefinder 100, if the height of the prism unit 130, i.e., the trapezoidal prism, is h, the optical distance that the measurement light S1 emitted from the first light source 110 travels within the prism unit 130 from when it enters the prism unit 130 until it enters the second photodetector 170 is 2h for measurement light S11 and 2.5h for measurement light S12 , and the optical distance that the measurement light S1 emitted from the first light source 110 travels within the prism unit 130 from when it enters the prism unit 130 until it enters the first photodetector 160 is 3h for reflected light S11 ' and 3.5h for reflected light S12 '.
これに対し、上記第2の光源120から出射された参照光S2が上記プリズムユニット130に入射し、上記第2の光検出器170に入射されるまでに上記プリズムユニット130内を伝搬する光学距離は、参照光S21が1.5h、参照光S22が2hであり、上記第2の光源120から出射された参照光S2が上記プリズムユニット130に入射し、上記第1の光検出器160に入射されるまでに上記プリズムユニット130内を伝搬する光学距離は、反射光S21’が2h 、反射光S22’が2.5hである。 In contrast, the optical distance that the reference light S2 emitted from the second light source 120 travels within the prism unit 130 from when it enters the prism unit 130 until it enters the second photodetector 170 is 1.5h for reference light S21 and 2h for reference light S22 , and the optical distance that the reference light S2 emitted from the second light source 120 travels within the prism unit 130 from when it enters the prism unit 130 until it enters the first photodetector 160 is 2h for reflected light S21 ' and 2.5h for reflected light S22 '.
すなわち、このレーザー距離計100では、上記第1 、2の光検出器160,170において干渉光を検出するまでに、上記プリズムユニット130内で測定光S1と参照光S2が経験する光学距離の差はそれぞれ1hで互いに等しい。 That is, in this laser distance meter 100, the difference in optical path experienced by the measurement light S1 and the reference light S2 within the prism unit 130 until the interference light is detected by the first and second photodetectors 160, 170 is equal to each other at 1h.
したがって、このレーザー距離計100では、上述の如く、上記第1、第2の光源110,120から反射型(偏波保存)コリメータ111,112を介して発散光から平行光に変換されてプリズムユニット130に入射されるS偏光の測定光S1,参照光S2は、光の経路が分散の少ない空気を通るので、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことなくプリズムユニット130に入射され、上記プリズムユニット130の温度が変化しても、上記第1、2の光検出器160,170において検出される各干渉光の相対関係は一定であり、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができる。 Therefore, in this laser rangefinder 100, as described above, the S-polarized measurement light S1 and reference light S2 are converted from divergent light to parallel light from the first and second light sources 110 , 120 via the reflective (polarization-preserving) collimators 111, 112 and are incident on the prism unit 130.Since the light path passes through air, which has little dispersion, group delay distribution is unlikely to occur in the beam cross section, and the light is incident on the prism unit 130 without a group velocity optical path difference.Even if the temperature of the prism unit 130 changes, the relative relationship between the interference lights detected by the first and second photodetectors 160, 170 remains constant, and high-precision optical interference observation without ghosts can be performed.
また、このレーザー距離計100では、上記基準面155までの距離と上記測定面150までの距離の差を出力するので、上記測定面150と上記基準面155を近くに設置することにより、大気の屈折率変化の影響をさらに小さくして測定精度を上げることができる。 In addition, this laser rangefinder 100 outputs the difference between the distance to the reference surface 155 and the distance to the measurement surface 150. Therefore, by placing the measurement surface 150 and the reference surface 155 close to each other, the effect of changes in the refractive index of the atmosphere can be further reduced, thereby improving measurement accuracy.
なお、このレーザー距離計100において、上記第2の直角プリズム133及び第3の直角プリズム134の各斜面133c,134cに挟まれた上記偏光ビームスプリッタ膜143は、ビームスプリッタ膜に置き換えることができる。この場合、光損失は増えるが上記1/4波長(λ/4)板115 ,116は不要になる。 In addition, in this laser range finder 100, the polarizing beam splitter film 143 sandwiched between the inclined surfaces 133c, 134c of the second rectangular prism 133 and the third rectangular prism 134 can be replaced with a beam splitter film. In this case, the optical loss increases, but the quarter-wave (λ/4) plates 115, 116 are not necessary.
ここで、上記レーザー距離計100では、上記第1及び第2の光源110,120は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光S1と参照光S2を出射するものとしたが、本発明はレーザー変位計に適用することもでき、この場合には、参照光S2に無変調の波長安定化光源を用いることができる。レーザー変位計において、測定光には参照光と同じものを用いるか、参照光から一定の周波数をシフトした光を用いる。 Here, in the laser distance meter 100, the first and second light sources 110, 120 emit coherent measurement light S1 and reference light S2 whose intensity or phase is periodically modulated and whose modulation periods are different from each other, but the present invention can also be applied to a laser displacement meter, in which case a non-modulated wavelength stabilized light source can be used for the reference light S2 . In a laser displacement meter, the same light as the reference light is used for the measurement light, or light whose frequency is shifted from the reference light by a certain amount is used.
この場合でも、上記レーザー距離計100と同様に干渉計用プリズムを備える干渉計を用いることにより、基準面までの距離と測定面までの距離の差が実際の光路の差であることがメリットになる。 Even in this case, by using an interferometer equipped with an interferometer prism like the laser rangefinder 100 described above, the difference between the distance to the reference surface and the distance to the measurement surface is the difference in the actual optical path, which is an advantage.
すなわち、変位計では距離の変化しか測定しないが、上記干渉計用プリズムを備える干渉計を用いることにより、測定面と基準面を一致させたときの距離を0 と定義することができる。したがって、大気の屈折率変動を補正する際にも、測定面と基準面を一致させたときの距離を0と定義することで、不明な距離(dead path) が生じない。通常の干渉計を変位計に用いても、参照光と測定光が同方向に出ていないので、このようなことはできない。 In other words, while a displacement meter only measures changes in distance, by using an interferometer equipped with the above-mentioned interferometer prism, it is possible to define the distance as 0 when the measurement surface and reference surface are aligned. Therefore, even when correcting for variations in the refractive index of the atmosphere, an unknown distance (dead path) does not occur by defining the distance as 0 when the measurement surface and reference surface are aligned. This is not possible even if a normal interferometer is used as a displacement meter, as the reference light and measurement light are not emitted in the same direction.
上述の如く、上記第1、第2の光源110,120から測定光S1,参照光S2が反射型(偏波保存)コリメータ111,112を介して発散光から平行光に変換されて入射される上記プリズムユニット130を干渉光学計として用いることにより、第1の光検出器160により検出された干渉信号と第2の光検出器170により検出された干渉信号から信号処理部180により変位、距離又は分布などの計測値を求めることができ、測定光と参照光が第1、2の光検出器160,170において各干渉光として検出されるまでにプリズムユニット130内で経験する光学距離の差はそれぞれ互いに等しく、上記プリズムユニット130の温度が変化しても、上記第1、2の光検出器において検出される各干渉光の相対関係は一定であり、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができる。 As described above, by using the prism unit 130, into which the measurement light S1 and reference light S2 from the first and second light sources 110 and 120 are converted from divergent light to parallel light via the reflective (polarization-preserving) collimators 111 and 112 and incident, as an interference optical meter, measurement values such as displacement, distance, and distribution can be obtained by the signal processing unit 180 from the interference signal detected by the first photodetector 160 and the interference signal detected by the second photodetector 170. The differences in optical distance experienced within the prism unit 130 until the measurement light and the reference light are detected as each interference light in the first and second photodetectors 160 and 170 are equal to each other, and even if the temperature of the prism unit 130 changes, the relative relationship between the respective interference lights detected in the first and second photodetectors is constant, making it possible to perform high-precision optical interference observation without ghosts.
本発明は、上述の如きレーザー距離計100以外にも、例えば光コヒーレンストモグラフィ(OCT)の干渉計にとしても使用することができる。上記干渉計用プリズムを備える干渉計を用いることにより、OCTの工業応用における精度を向上することができる。 The present invention can be used not only as the laser rangefinder 100 described above, but also as an interferometer for optical coherence tomography (OCT), for example. By using an interferometer equipped with the above-mentioned interferometer prism, it is possible to improve the accuracy of industrial applications of OCT.
光コヒーレンストモグラフィ(OCT)に上記干渉計用プリズムを備える干渉計を用いる際には、Time domain OCT、Spectral domain OCT、Fourier domain OCTで様々なコヒーレンス(干渉性)の異なる光源が用いられる。また、Time domain OCTとSpectral domain OCTでは参照光に白色光源、測定光に参照光を分岐し相対的な遅延時間を調整した光が用いられる。さらに、Fourier domain OCTでは参照光にSS光源、測定光に参照光を分岐し相対的な遅延時間を調整した光が用いられる。また、Spectral domain OCTでは、光検出器に分光器を用いることになる。 When an interferometer equipped with the above-mentioned interferometer prism is used for optical coherence tomography (OCT), light sources with different coherences are used for time domain OCT, spectral domain OCT, and Fourier domain OCT. In addition, in time domain OCT and spectral domain OCT, a white light source is used as the reference light, and light in which the reference light is branched and the relative delay time is adjusted is used as the measurement light. Furthermore, in Fourier domain OCT, a single-shot light source is used as the reference light, and light in which the reference light is branched and the relative delay time is adjusted is used as the measurement light. In addition, in spectral domain OCT, a spectrometer is used as the photodetector.
ここで、1点の距離だけを算出する上記レーザー距離計100では、第2の光検出器170により検出された干渉信号は、基準面を明確にする役割を果たしている。 Here, in the above-mentioned laser rangefinder 100, which calculates the distance to only one point, the interference signal detected by the second photodetector 170 serves to clarify the reference plane.
上記干渉計用プリズムを備える干渉計をOCTに適用する場合、二つの光検出器により検出される各干渉信号のちの一方の干渉信号は、基準面を明確にする役割だけでなく別の役割も果たす。 When an interferometer equipped with the above-mentioned interferometer prism is applied to OCT, one of the interference signals detected by the two photodetectors not only serves to clarify the reference plane, but also serves another purpose.
すなわち、OCTの場合には、深さ方向の反射点の分布を示すことが重要な応用であるが、一点から反射してきた光であっても、それを距離に対する反射点の分布に置きなおすと(点像広がり関数)、分布の幅が理論限界より広がることがある。これは干渉するまでに測定光と参照光の経験してきた媒質の分散の違いに起因する。 In other words, in the case of OCT, an important application is to show the distribution of reflection points in the depth direction, but even if the light is reflected from a single point, when it is replaced with a distribution of reflection points with respect to distance (point spread function), the width of the distribution can be wider than the theoretical limit. This is due to the difference in dispersion of the medium that the measurement light and reference light have experienced before they interfere.
しかしながら、上記干渉計用プリズムを備える干渉計では、第1の光検出器160により検出される干渉信号と、第2の光検出器170により検出される干渉信号は同じ媒質の分散を経験しているので、上記干渉計用プリズムをOCTに適用することにより、第2の光検出器170により検出された干渉信号から測定光と参照光の経験してきた媒質の分散の違いをリアルタイムに算出することが可能になる。 However, in an interferometer equipped with the above-mentioned interferometer prism, the interference signal detected by the first photodetector 160 and the interference signal detected by the second photodetector 170 experience the same medium dispersion, so by applying the above-mentioned interferometer prism to OCT, it becomes possible to calculate in real time the difference in medium dispersion experienced by the measurement light and the reference light from the interference signal detected by the second photodetector 170.
さらに、この結果を用いて第1の光検出器160により検出された干渉信号の分散をリアルタイムで補正する計算処理が可能になる。 Furthermore, this result can be used to perform calculations to correct the variance of the interference signal detected by the first photodetector 160 in real time.
これにより、より明瞭度の高いOCT画像を得ることができる。 This allows for clearer OCT images to be obtained.
ここで、上記レーザー距離計100では、上記プリズムユニット130を干渉光学計として用い、上記第1、第2の光源110,120から反射型(偏波保存)コリメータ111,112を介して測定光S1,参照光S2を発散光から平行光に変換して上記プリズムユニット130に入射するようにしたが、本発明は、上記レーザー距離計100のみに限定されるものでなく、投光部から変調光を測定対象物に照射して、該測定対象物により反射されて戻ってきた上記変調光を受光部で検出することにより得られる測定信号の時間遅れから、上記測定対象物までの距離を信号処理部により算出する光学式距離計における測定光ビームの断面での群遅延の分布をなくすために、屈折光学系に代えて反射型光学系を用いるものであって、本発明では、測定対象物に変調光を照射する投光部に反射光学系を備えるものとし、反射型光学系を用いることにより測定光ビームの断面での群遅延の分布をなくして、測定光ビームの断面での群遅延の分布に起因する測定誤差をなくして、上記受光部により得られる測定信号の時間遅れから、上記測定対象物までの距離を信号処理部により高精度に距離を計測する算出する光学式距離計を実現することができる。 Here, in the laser distance meter 100, the prism unit 130 is used as an interference optical meter, and measurement light S 1 and reference light S 2 are emitted from the first and second light sources 110 and 120 via reflection type (polarization-preserving) collimators 111 and 112. In the present invention, the light emitted from the light projecting unit is converted from divergent light to parallel light and incident on the prism unit 130. However, the present invention is not limited to the laser rangefinder 100. In the present invention, a reflective optical system is used instead of a refractive optical system in order to eliminate the distribution of group delay in the cross section of the measurement light beam in an optical rangefinder that irradiates a measurement object with modulated light from a light projecting unit, detects the modulated light reflected by the measurement object and returned, and calculates the distance to the measurement object by a signal processing unit from the time delay of the measurement signal obtained by detecting the modulated light reflected by the measurement object. In the present invention, a reflective optical system is provided in the light projecting unit that irradiates the measurement object with modulated light, and the reflective optical system is used to eliminate the distribution of group delay in the cross section of the measurement light beam, thereby eliminating measurement errors caused by the distribution of group delay in the cross section of the measurement light beam, and an optical rangefinder that measures and calculates the distance to the measurement object with high accuracy by a signal processing unit from the time delay of the measurement signal obtained by the light receiving unit can be realized.
すなわち、本発明に係る光学式距離計は、強度又は位相が周期的に変調された光を測定光として測定対象物に照射する反射光学系からなる投光部と、上記投光部を介して上記測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射された光を強度又は位相が周期的に変調された参照光と重ね合わせる干渉光学系と、上記干渉光学系により得られる上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を受光する受光部と、上記受光部による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号である測定信号が入力される信号処理部とを備え、上記信号処理部は、上記測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。 That is, the optical distance meter according to the present invention includes a light projection unit consisting of a reflection optical system that irradiates a measurement object with light whose intensity or phase is periodically modulated as measurement light, an interference optical system that superimposes the light reflected by the measurement object from the measurement light irradiated to the measurement object via the light projection unit with a reference light whose intensity or phase is periodically modulated, a light receiving unit that receives interference light between the measurement light and the reference light that is reflected and returned by the measurement object and obtained by the interference optical system, and a signal processing unit to which a measurement signal, which is an interference signal obtained as a detection output of the interference light by the light receiving unit, is input, and the signal processing unit calculates the distance to the measurement object by analyzing the measurement signal based on the relative relationship between the measurement signal and a reference signal that is a signal that generates the measurement light or reference light or a signal generated by the measurement light or reference light.
上記投光部に備えられる反射光学系は、光出力端からから空間に放射される変調光を平行光に変換する反射型コリメータであり、上記光出力端は、光の発生源から空間に光を出力する部分または光の発生源から光ファイバーなどの光導波路で延長された光路の終端部で空間に光を出力する部分であるものとすることができる。 The reflective optical system provided in the light projection unit is a reflective collimator that converts modulated light emitted from the light output end into space into parallel light, and the light output end can be a part that outputs light from a light source into space, or a part that outputs light into space at the end of an optical path extended from the light source by an optical waveguide such as an optical fiber.
本発明に係る光学式距離計は、波長掃引型光源、多波長光源、白色光源、光コム光源など1回の距離計測に複数の波長を利用する干渉検出方式の光学式距離計であって、例えば、図4に示す光学式距離計10のように、光源11から投光部12を介して測定光として出射される変調光Sを参照光SRと測定光SSとに分離し、基準光路を通過させた参照光SS’と、測定光SSを上記測定対象物1に照射し、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’とを重ね合わせて干渉光を得るビームスプリッタ13を干渉光学系として備えるものとすることができる。 The optical distance meter according to the present invention is an interference detection type optical distance meter that uses multiple wavelengths for one distance measurement, such as a wavelength swept light source, a multi-wavelength light source, a white light source, or an optical comb light source. For example, as shown in FIG. 4, the optical distance meter 10 can be equipped with an interference optical system that separates modulated light S emitted as measurement light from a light source 11 via a light projecting unit 12 into reference light SR and measurement light SS, and irradiates the measurement light SS to the measurement object 1 and superimposes the measurement light SS' reflected by the measurement object 1 and returned to obtain interference light, by superimposing the reference light SS' and the measurement light SS' as shown in FIG. 4.
この光学式距離計10は、波長掃引型光源、多波長光源、白色光源、光コム光源などの光源11から空間に放射される複数の波長を含む変調光Sを反射型(偏波保存)コリメータからなる投光部12を介して平行光の変調光Sとしてビームスプリッタ13に入射し、上記平行光の変調光Sを上記ビームスプリッタ13により参照光SRと測定光SSとに分離して、参照光SRを基準面16に照射するとともに測定光SSを測定対象物1に照射し、上記基準面16により反射されて戻ってきた上記参照光SRと上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SSとを上記ビームスプリッタ13を介して重ね合わせることにより得られる干渉光を受光部14で受光することにより、干渉信号として測定信号を検出するようにしたものである。 In this optical range finder 10, modulated light S containing multiple wavelengths emitted into space from a light source 11 such as a wavelength swept light source, a multi-wavelength light source, a white light source, or an optical comb light source is incident on a beam splitter 13 as parallel modulated light S via a light projecting unit 12 consisting of a reflective (polarization-preserving) collimator, the parallel modulated light S is separated into a reference light SR and a measurement light SS by the beam splitter 13, the reference light SR is irradiated onto a reference surface 16 and the measurement light SS is irradiated onto a measurement object 1, and the reference light SR reflected and returned by the reference surface 16 and the measurement light SS reflected and returned by the measurement object 1 are superimposed via the beam splitter 13 to obtain interference light, which is received by a light receiving unit 14, thereby detecting a measurement signal as an interference signal.
この光学式距離計10おいて、上記基準面16により反射されて戻ってきた参照光SR’と上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光SS’とを重ね合わせる上記ビームスプリッタ13は、上記光源11から上記投光部12を介して測定光SSとして出射される変調光Sを参照光SRと測定光SSとに分離し、上記基準面16により反射されて戻ってきた参照光SR’すなわち基準光路として参照光SRを反射する基準面16を含む往復の光路を通過させた参照光SR’と、測定光SSを上記測定対象物1に照射し、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光SS’とを重ね合わせて干渉光を得る光学干渉系として機能している。 In this optical range finder 10, the beam splitter 13, which superimposes the reference light SR' reflected back by the reference surface 16 and returned and the measurement light SS' reflected back by the measurement object 1, separates the modulated light S emitted from the light source 11 via the light projector 12 as the measurement light SS into the reference light SR and the measurement light SS, and functions as an optical interference system that irradiates the measurement object 1 with the measurement light SS, which is the reference light SR' reflected back by the reference surface 16 and returned, i.e., the reference light SR' that has passed through a round-trip optical path including the reference surface 16 that reflects the reference light SR as the reference optical path, and the measurement light SS, which is reflected back by the measurement object 1 and returned, to obtain interference light.
この光学式距離計10では、光源11から空間に放射される変調光Sを平行光の測定光SSに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる投光部12において、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記信号処理部15において、上記受光部14による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SSによる測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記基準面16により反射されて戻ってきた上記参照光SRと上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SSとの時間差(位相差)から、上記測定対象物1までの距離を高精度に算出することができる。 In this optical distance meter 10, the light projecting unit 12 is a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S emitted into space from the light source 11 into a parallel measurement light SS. The light projecting unit 12 is a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S emitted into space into a parallel measurement light SS. The light projecting unit 12 is a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S into a parallel measurement light SS. The light projecting unit 15 analyzes the interference signal obtained as the detection output of the interference light by the light receiving unit 14 based on the relative relationship between the measurement signal by the measurement light SS reflected back by the measurement object 1 and the reference signal, which is a signal that generates the measurement light or reference light or a signal that is generated by the measurement light or reference light. This makes it possible to calculate the distance to the measurement object 1 with high accuracy from the time difference (phase difference) between the reference light SR reflected back by the reference surface 16 and the measurement light SS reflected back by the measurement object 1.
また、この光学式距離計10において、図5に示す光学式距離計10Aのように、干渉光を受光部14に照射させる光路中に上記干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサー17を設けて、上記受光部14の受光素子により干渉光を高感度に検出できるようにすることができる。 In addition, in this optical rangefinder 10, as in the optical rangefinder 10A shown in Figure 5, a reflective focuser 17 that converts the interference light from parallel light to convergent light can be provided in the optical path along which the interference light is irradiated to the light receiving unit 14, so that the interference light can be detected with high sensitivity by the light receiving element of the light receiving unit 14.
なお、この光学式距離計10Aにおいて、反射型フォーカサー17以外の構成要素は、上記光学式距離計10と同じなので、図中に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。 In addition, in this optical rangefinder 10A, the components other than the reflective focuser 17 are the same as those in the optical rangefinder 10 described above, so the same reference numerals are used in the figure and detailed explanations are omitted.
ここで、上記投光部12を構成する反射型コリメータと上記受光部14に備えられる反射型フォーカサー17は、入射側と出入射側が互いに逆の同じ光学系のものが用いられる。 The reflective collimator constituting the light-projecting unit 12 and the reflective focuser 17 provided in the light-receiving unit 14 are of the same optical system, with the incident and exit sides reversed.
この光学式距離計10Aでは、光源11から空間に放射される変調光Sを平行光の測定光SSに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる投光部12、上記受光部14に備えられる反射型フォーカサー17において、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記受光部14の受光素子により干渉光を高感度に検出して、上記信号処理部15において、上記受光部14による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SSによる測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記基準面16により反射されて戻ってきた上記参照光SRと上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SSとの時間差(位相差)から、上記測定対象物1までの距離を高精度に算出することができる。 In this optical distance meter 10A, the light projecting unit 12 is composed of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S emitted into space from the light source 11 into a parallel measurement light SS, and the reflective focuser 17 is provided in the light receiving unit 14. The light receiving element of the light receiving unit 14 detects the interference light with high sensitivity without causing a group delay distribution in the beam cross section and without group velocity optical path difference. In the signal processing unit 15, the interference signal obtained as the detection output of the interference light by the light receiving unit 14 is analyzed based on the relative relationship between the measurement signal by the measurement light SS reflected and returned by the measurement object 1 and the reference signal which is a signal that generates the measurement light or reference light or a signal generated by the measurement light or reference light. The distance to the measurement object 1 can be calculated with high accuracy from the time difference (phase difference) between the reference light SR reflected and returned by the reference surface 16 and the measurement light SS reflected and returned by the measurement object 1.
また、干渉検出方式の光学式距離計であって、例えば、図6に示す光学式距離計20のように、光源21から空間に放射された変調光Sが分岐されて入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部22S,22Rを備え、干渉光学系23は、一方の投光部22Sから出射される変調光Sを測定光SSとして上記測定対象物1に照射し、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光SS’と、他方の投光部22Rから出射される変調光Sを参照光SRとして上記測定光SS’とを重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。 Also, an optical rangefinder using the interference detection method, such as the optical rangefinder 20 shown in FIG. 6, includes two light-projecting units 22S, 22R, each of which is made up of a reflection optical system into which modulated light S emitted from a light source 21 into space is branched and incident, and the interference optical system 23 irradiates the modulated light S emitted from one of the light-projecting units 22S as measurement light SS onto the measurement object 1, and superimposes the measurement light SS' reflected back by the measurement object 1 and the modulated light S emitted from the other light-projecting unit 22R as reference light SR on the measurement light SS' to obtain interference light.
この光学式距離計20において、上記二つの投光部22S,22Rに備えられる反射光学系は、上記光源21から空間に放射され分岐された変調光Sを平行光に変換する反射型コリメータである。 In this optical rangefinder 20, the reflective optical system provided in the two light projecting units 22S and 22R is a reflective collimator that converts the modulated light S emitted into space from the light source 21 and branched into parallel light.
この光学式距離計20における干渉光学系23は、光源21から空間に放射される複数の波長を含む変調光Sが反射型(偏波保存)コリメータからなる第1の投光部22Sを介して測定光SSとして第1のビームスプリッタ23Aに入射されるとともに、上記変調光Sの一部が分離されて反射型(偏波保存)コリメータからなる第2の投光部22Rを介して参照光SRとして第2のビームスプリッタ23Bに入射され、上記第1のビームスプリッタ23Aを通過した測定光SSが測定対象物1に照射され、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光SS’が上記第1のビームスプリッタ23Aにより反射されて上記第2のビームスプリッタ23Bに入射されることにより、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’と上記参照光SRが上記第2のビームスプリッタ23Bにおいて重ね合わせることにより干渉光を得て、この干渉光を受光部24で受光することにより、上記受光部24による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号を得るようになっている。 In the interference optical system 23 of this optical range finder 20, modulated light S containing multiple wavelengths emitted into space from the light source 21 is incident on the first beam splitter 23A as measurement light SS via the first light projecting unit 22S consisting of a reflective (polarization-preserving) collimator, and a portion of the modulated light S is separated and incident on the second beam splitter 23B as reference light SR via the second light projecting unit 22R consisting of a reflective (polarization-preserving) collimator, and the measurement light SS that has passed through the first beam splitter 23A is irradiated onto the measurement object 1. The measurement light SS' reflected back by the object to be measured 1 is reflected by the first beam splitter 23A and enters the second beam splitter 23B, whereby the measurement light SS' reflected back by the object to be measured 1 and the reference light SR are superimposed at the second beam splitter 23B to obtain interference light, and this interference light is received by the light receiving unit 24 to obtain an interference signal obtained as the detection output of the interference light by the light receiving unit 24.
そして、信号処理部25は、上記受光部24による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SSによる測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記参照光SRと上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’との時間差(位相差)から、上記測定対象物1までの距離を高精度に算出することができる。 Then, the signal processing unit 25 analyzes the interference signal obtained as the detection output of the interference light by the light receiving unit 24 based on the relative relationship between the measurement signal due to the measurement light SS reflected and returned by the measurement object 1 and the reference signal which is a signal generating the measurement light or reference light or a signal generated by the measurement light or reference light, and is thereby able to calculate with high accuracy the distance to the measurement object 1 from the time difference (phase difference) between the reference light SR and the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1.
なお、この光学式距離計20において、上記受光部24には検出素子、偏光子など干渉信号を得るために必要な光学素子が含まれる。光を干渉させるためには同一偏光状態であることが求められる。干渉信号を得るためには、測定光と参照光を重ね合わせた後、偏光子で同一偏光成分を切り出して検出するか、偏光ビームスプリッタで直交する二つの偏光成分に分離してそれぞれ独立した光検出器で検出し、二つの信号の差動として干渉信号を得るなど複数の手法がある。また、回折格子のような波長分散素子で光波長を分離して検出するようにしてもよく、受光素子は、1個の検出素子に限定されるものではない。 In this optical rangefinder 20, the light receiving unit 24 includes optical elements such as a detection element and a polarizer, which are necessary for obtaining an interference signal. In order to cause light to interfere, it is necessary for the light to be in the same polarization state. There are several methods for obtaining an interference signal, such as superimposing the measurement light and the reference light, extracting and detecting the same polarization component with a polarizer, or separating the light into two orthogonal polarization components with a polarizing beam splitter and detecting each with an independent photodetector, and obtaining an interference signal as the difference between the two signals. In addition, the light wavelengths may be separated and detected using a wavelength dispersion element such as a diffraction grating, and the light receiving element is not limited to a single detection element.
この光学式距離計20では、光源21から空間に放射される変調光Sを平行光の測定光SSに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる第1の投光部22S、上記光源21から空間に放射される変調光Sを平行光の参照光SRに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる第2の投光部22Rにおいて、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記信号処理部25において、上記受光部24による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’による測定信号と上記光源21を駆動する信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記参照光SRと上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’との時間差(位相差)から、上記測定対象物1までの距離を高精度に算出することができる。 In this optical distance meter 20, the first light projecting unit 22S is made of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S emitted from the light source 21 into space into a parallel measurement light SS, and the second light projecting unit 22R is made of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S emitted from the light source 21 into space into a parallel reference light SR. In this manner, the beam cross section is less likely to have a distribution of group delay and is not accompanied by a group velocity optical path difference. In the signal processing unit 25, the interference signal obtained as the detection output of the interference light by the light receiving unit 24 is analyzed based on the relative relationship between the measurement signal by the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1 and the signal that drives the light source 21, and the distance to the measurement object 1 can be calculated with high accuracy from the time difference (phase difference) between the reference light SR and the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1.
また、上記光学式距離計20において、図7に示す光学式距離計20Aのように、干渉光を受光部24に照射させる光路中に上記干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサー27を設けて、上記反射型フォーカサー27を介して受光部24の受光素子に入射させるようにしてもよい。 In addition, in the optical rangefinder 20, as in the optical rangefinder 20A shown in FIG. 7, a reflective focuser 27 that converts the interference light from parallel light to convergent light may be provided in the optical path along which the interference light is irradiated to the light receiving unit 24, and the interference light may be made incident on the light receiving element of the light receiving unit 24 via the reflective focuser 27.
なお、この光学式距離計20Aにおいて、反射型フォーカサー27以外の構成要素は、上記光学式距離計20と同じなので、図中に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。 In addition, in this optical rangefinder 20A, the components other than the reflective focuser 27 are the same as those in the optical rangefinder 20 described above, so the same reference numerals are used in the figure and detailed explanations are omitted.
上記投光部22を構成する反射型コリメータと上記受光部24に備えられる反射型フォーカサー27は、入射側と出入射側が互いに逆の同じ光学系のものが用いられる。 The reflective collimator constituting the light-projecting unit 22 and the reflective focuser 27 provided in the light-receiving unit 24 use the same optical system with the incident and outgoing sides reversed.
この光学式距離計20Aでは、光源21から空間に放射される変調光Sを平行光の測定光SSに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる第1の投光部22S、上記光源21から空間に放射される変調光Sを平行光の参照光SRに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる第2の投光部22R、上記受光部24に備えられる反射型フォーカサー27において、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記受光部24の受光素子により干渉光を高感度に検出して、上記信号処理部25において、上記受光部24による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’による測定信号と上記光源21を駆動する信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記参照光SRと上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’との時間差(位相差)から、上記測定対象物1までの距離を高精度に算出することができる。 In this optical distance meter 20A, the first light projecting unit 22S is made of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S emitted from the light source 21 into space into a parallel measurement light SS, the second light projecting unit 22R is made of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S emitted from the light source 21 into space into a parallel reference light SR, and the reflective focuser 27 provided in the light receiving unit 24 is unlikely to cause a group delay distribution in the beam cross section, and is not accompanied by a group velocity optical path difference, and is detected by the light receiving element of the light receiving unit 24. By detecting the interference light with high sensitivity, and analyzing the interference signal obtained as the detection output of the interference light by the light receiving unit 24 in the signal processing unit 25 based on the relative relationship between the measurement signal by the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1 and the signal that drives the light source 21, the distance to the measurement object 1 can be calculated with high accuracy from the time difference (phase difference) between the reference light SR and the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1.
また、干渉検出方式の光学式距離計は、例えば図8に示す光学式距離計30のように構成することもできる。 In addition, an optical range finder using the interference detection method can also be configured, for example, as the optical range finder 30 shown in Figure 8.
この光学式距離計30は、互いに可干渉性のある変調光を空間に放射する2台の光源31S、31Rと、上記2台の光源31S、31Rから空間に放射された変調光S1、S2が入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部32S、32Rを備え、干渉光学系33は、一方の投光部32Sから出射される変調光S1を測定光SSとして測定対象物1に照射し、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光SS’に、他方の投光部32Rから出射される変調光S2を参照光SRとして重ね合わせて干渉光を得るようにしたものである。 This optical rangefinder 30 comprises two light sources 31S, 31R that radiate modulated light that is coherent with each other into space, and two light-projecting units 32S, 32R, each consisting of a reflection optical system, into which the modulated light S1 , S2 radiated into space from the two light sources 31S, 31R are incident. The interference optical system 33 irradiates the modulated light S1 emitted from one of the light-projecting units 32S as measurement light SS onto the measurement object 1, and superimposes the modulated light S2 emitted from the other light-projecting unit 32R as reference light SR on the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1 to obtain interference light.
すなわち、この光学式距離計30は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出力する2台の光源31S、31Rを備え、干渉光学系33は、第1の光源31Sから空間に放射される複数の波長を含む変調光S1が反射型(偏波保存)コリメータからなる第1の投光部32Sを介して測定光S1として第1のビームスプリッタ33Aに入射されるとともに、第2の光源31Rから空間に放射される複数の波長を含む変調光S2が反射型(偏波保存)コリメータからなる第2の投光部32Rを介して参照光SRとして第2のビームスプリッタ33Bに入射され、上記第1のビームスプリッタ33Aを通過した測定光SSが測定対象物1に照射され、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光SS’が上記第1のビームスプリッタ33Aにより反射されて上記第2のビームスプリッタ33Bに入射されることにより、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’と上記参照光SRが上記第2のビームスプリッタ33Bにおいて重ね合わせる干渉光学系33により干渉光を得て、この干渉光を受光部34で受光することにより、上記受光部34による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号を得るようになっている。 That is, the optical distance meter 30 includes two light sources 31S and 31R that output measurement light and reference light whose intensity or phase is periodically modulated and whose modulation periods are different from each other, and the interference optical system 33 inputs modulated light S1 including a plurality of wavelengths emitted from the first light source 31S into space via a first light projecting unit 32S made of a reflective (polarization-preserving) collimator to a first beam splitter 33A as measurement light S1, and inputs modulated light S1 including a plurality of wavelengths emitted from the second light source 31R into space via a first light projecting unit 32S made of a reflective (polarization-preserving) collimator to a first beam splitter 33A as measurement light S1 . The reference light SR is incident on the second beam splitter 33B as the reference light SR via the second light-projecting unit 32R consisting of a reflective (polarization-preserving) collimator, the measurement light SS passing through the first beam splitter 33A is irradiated onto the measurement object 1, and the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1 is reflected by the first beam splitter 33A and incident on the second beam splitter 33B, whereby the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1 and the reference light SR are superimposed on each other at the second beam splitter 33B by the interference optical system 33 to obtain interference light, and the interference light is received by the light-receiving unit 34 to obtain an interference signal obtained as a detection output of the interference light by the light-receiving unit 34.
この光学式距離計30では、上記第1光源31Sから空間に放射される変調光S1を平行光の測定光SSに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる第1の投光部32S、上記第2の光源31Rから空間に放射される変調光S2を平行光の参照光SRに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる第2の投光部32Rにおいて、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記信号処理部35において、上記受光部34による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SSによる測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記参照光SRと上記測定対象物1により反射されて戻ってきた上記測定光SS’との時間差(位相差)から、上記測定対象物1までの距離を高精度に算出することができる。 In this optical distance meter 30, the first light-projecting unit 32S is composed of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S1 emitted into space from the first light source 31S into a parallel measurement light SS, and the second light-projecting unit 32R is composed of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S2 emitted into space from the second light source 31R into a parallel reference light SR. In this manner, a group delay distribution is unlikely to occur in the beam cross section, and no group velocity optical path difference is involved. In the signal processing unit 35, an interference signal obtained as a detection output of the interference light by the light-receiving unit 34 is analyzed based on a relative relationship between a measurement signal by the measurement light SS reflected and returned by the measurement object 1, and a reference signal which is a signal that generates measurement light or reference light or a signal generated by the measurement light or reference light, and the distance to the measurement object 1 can be calculated with high accuracy from the time difference (phase difference) between the reference light SR and the measurement light SS' reflected and returned by the measurement object 1.
この光学式距離計30においても、干渉光を受光部34に照射させる光路中に上記干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサーを設けて、上記受光部34の受光素子により干渉光を高感度に検出できるようにすることができる。 In this optical rangefinder 30, a reflective focuser that converts the interference light from parallel light to convergent light can be provided in the optical path along which the interference light is irradiated onto the light receiving unit 34, allowing the light receiving element of the light receiving unit 34 to detect the interference light with high sensitivity.
また、干渉検出方式の光学式距離計は、例えば図9に示す光学式距離計40のように構成することもできる。 In addition, an optical range finder using the interference detection method can also be configured, for example, as optical range finder 40 shown in Figure 9.
この光学式距離計40は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出力する2台の光源41S、41Rを備える。 This optical range finder 40 is equipped with two light sources 41S and 41R that output measurement light and reference light whose intensity or phase is periodically modulated and whose modulation periods are different from each other.
この光学式距離計40における干渉光学系43は、第1の光源41Sから空間に放射される複数の波長を含む変調光S1が反射型(偏波保存)コリメータからなる第1の投光部42Sを介して測定光SSとして第1のビームスプリッタ43Aに入射され、この第1のビームスプリッタ43Aにより上記測定光SSが二つに分離されて、上記第1のビームスプリッタ43Aで反射されて90°折り曲げられた一方の測定光SSが第2のビームスプリッタ43Bに入射されるととともに、上記第1のビームスプリッタ43Aを透過した他方の測定光SSが測定対象物1に照射される。 In the interference optical system 43 of this optical rangefinder 40, modulated light S1 containing multiple wavelengths emitted into space from a first light source 41S is incident on a first beam splitter 43A as measurement light SS via a first light-projecting unit 42S consisting of a reflective (polarization-preserving) collimator, and the measurement light SS is split into two by the first beam splitter 43A. One of the measurement lights SS is reflected by the first beam splitter 43A and bent by 90 degrees to be incident on a second beam splitter 43B, while the other measurement light SS that has passed through the first beam splitter 43A is irradiated onto the object to be measured 1.
また、第2の光源41Rから空間に放射される複数の波長を含む変調光S2が反射型(偏波保存)コリメータからなる第2の投光部42Rを介して参照光SRとして第3のビームスプリッタ43Cに入射され、この第3のビームスプリッタ43Cにより上記参照光SRが二つに分離されて、上記第3のビームスプリッタ43Cを透過した一方の参照光SRが第4のビームスプリッタ43Dに入射されるととともに、上記第3のビームスプリッタ43Cで反射されて90°折り曲げられた他方の参照光SRが上記第2のビームスプリッタ43Bに入射される。 In addition, modulated light S2 containing a plurality of wavelengths emitted into space from the second light source 41R is incident on the third beam splitter 43C as reference light SR via a second light-projecting unit 42R consisting of a reflective (polarization-preserving) collimator, and the reference light SR is split into two by this third beam splitter 43C. One of the reference lights SR transmitted through the third beam splitter 43C is incident on the fourth beam splitter 43D, while the other reference light SR reflected by the third beam splitter 43C and bent by 90° is incident on the second beam splitter 43B.
そして、この光学式距離計40における干渉光学系43は、上記第2のビームスプリッタ43Bにおいて上記測定光SSと上記参照光SRが重ね合わせることにより参照用干渉光を得て、この参照用干渉光を参照光受光部44Rで受光することにより、上記参照光受光部44Rよる上記参照用干渉光の検出出力として参照用干渉信号を得るようになっている。 The interference optical system 43 in the optical rangefinder 40 obtains reference interference light by superimposing the measurement light SS and the reference light SR in the second beam splitter 43B, and receives this reference interference light with the reference light receiving unit 44R to obtain a reference interference signal as a detection output of the reference interference light by the reference light receiving unit 44R.
また、この光学式距離計40における干渉光学系43は、上記第1のビームスプリッタ43Aを通過した測定光SSが測定対象物1に照射され、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光SS’が上記第1のビームスプリッタ43Aにより反射されて上記第4のビームスプリッタ43Dに入射されることにより、上記測定光SS’と上記参照光SRが上記第4のビームスプリッタ43Dにおいて重ね合わせることにより測定用干渉光を得て、この測定用干渉光を測定光受光部44Sで受光することにより、上記測定光受光部44Sによる上記測定用干渉光の検出出力として測定用干渉信号を得るようになっている。 In addition, in the interference optical system 43 of the optical range finder 40, the measurement light SS that has passed through the first beam splitter 43A is irradiated onto the measurement object 1, and the measurement light SS' that is reflected back by the measurement object 1 is reflected by the first beam splitter 43A and enters the fourth beam splitter 43D, whereby the measurement light SS' and the reference light SR are superimposed at the fourth beam splitter 43D to obtain measurement interference light, and the measurement interference light is received by the measurement light receiving unit 44S to obtain a measurement interference signal as a detection output of the measurement interference light by the measurement light receiving unit 44S.
この光学式距離計40では、上記第1光源41Sから空間に放射される変調光S1を平行光の測定光SSに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる第1の投光部42S、上記第2の光源41Rから空間に放射される変調光S2を平行光の参照光SRに変換する反射型(偏波保存)コリメータからなる第2の投光部42Rにおいて、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、信号処理部45において、上記参照光検出部44Rで得られる参照用干渉信号と上記測定光受光部44Sで得られる測定用干渉信号の時間差(位相差)から、上記測定対象物1までの距離を高精度に算出することができる。 In this optical range finder 40, the first light projecting unit 42S is made of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S1 emitted into space from the first light source 41S into a parallel measurement light SS, and the second light projecting unit 42R is made of a reflective (polarization-preserving) collimator that converts the modulated light S2 emitted into space from the second light source 41R into a parallel reference light SR. In this way, the beam cross section is less likely to have a distribution of group delay and is not accompanied by a group velocity optical path difference. In the signal processing unit 45, the distance to the measurement object 1 can be calculated with high accuracy from the time difference (phase difference) between the reference interference signal obtained by the reference light detecting unit 44R and the measurement interference signal obtained by the measurement light receiving unit 44S.
上記参照光検出部44Rが受光する参照用干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサーや上記測定光検出部44Sが受光する測定用干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサーを設けて、上記参照光検出部44Rの受光素子により参照用干渉光を高感度に検出するとともに、上記測定光受光部44Sの受光素子により測定用干渉光を高感度に検出できるようにすることができる。 By providing a reflective focuser that converts the reference interference light received by the reference light detection unit 44R from parallel light to convergent light, and a reflective focuser that converts the measurement interference light received by the measurement light detection unit 44S from parallel light to convergent light, it is possible to detect the reference interference light with high sensitivity using the light receiving element of the reference light detection unit 44R, and to detect the measurement interference light with high sensitivity using the light receiving element of the measurement light receiving unit 44S.
ここで、この光学式距離計40において、上記第1のビームスプリッタ43A乃至第4のビームスプリッタ43Dおよび全反射鏡43Eは干渉光学系43を構成しており、この干渉光学系43は、台形プリズムや直角プリズムの面に蒸着により蒸着膜を形成して、貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムとすることができる。先に説明した図1に示したレーザー距離計100は、台形プリズムや直角プリズムの面に蒸着によりビームスプリッタ膜等を形成して、貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムを上記プリズムユニット130として備える干渉検出方式の光学式距離計の具体例である。 Here, in this optical range finder 40, the first beam splitter 43A to the fourth beam splitter 43D and the total reflection mirror 43E constitute the interference optical system 43, and this interference optical system 43 can be an interferometer prism having an integrated structure in which a deposition film is formed on the surface of a trapezoidal prism or a right-angle prism by deposition and then bonded together. The laser range finder 100 shown in FIG. 1 described above is a specific example of an interference detection type optical range finder that has an interferometer prism as the prism unit 130, in which a beam splitter film or the like is formed on the surface of a trapezoidal prism or a right-angle prism by deposition and then bonded together.
また、光源から空間に放射される変調光を平行光に変換する反射型コリメータや平行光を収束光に変換する反射型フォーカサーは、光ファイバーを介して空間に放射されるレーザー光に対しても適用することができる。 In addition, reflective collimators that convert modulated light emitted from a light source into space into parallel light and reflective focusers that convert parallel light into convergent light can also be applied to laser light emitted into space via optical fibers.
すなわち、干渉検出方式の光学式距離計は、例えば図10に示す光学式距離計50のように構成することもできる。 That is, an optical range finder using the interference detection method can be configured, for example, as the optical range finder 50 shown in FIG. 10.
この光学式距離計50は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光SSと参照光SRを出力する2台の光コム光源51S、51Rからなる光源部51、上記光源部51の第1の光コム光源51Sから測定光SSが光ファイバーを介して第1の光カップラ53Aに入射されるとともに第2の光コム光源51Rから参照光SRが光ファイバーを介して第2の光カップラ52Bに入射される光ファイバー干渉計52、上記光ファイバー干渉計52の第4の光カップラ53Dに2本の光ファイバーを介して接続された測定光検出器54Sと、上記光ファイバー干渉計53の第5の光カップラ53Eに2本の光ファイバーを介して接続された参照光検出器54R、上記光ファイバー干渉計53の第3の光カップラ53Cに光ファイバーを介して接続された反射型光学系56、上記測定光検出器54Sにより得られる測定信号と上記参照光検出器54Rにより得られる参照信号に基づき、測定対象物1までの距離を算出する演算処理部55等を備える。 This optical distance meter 50 includes a light source unit 51 consisting of two optical comb light sources 51S and 51R that output a measurement light SS and a reference light SR that are periodically modulated in intensity or phase and have different modulation periods, an optical fiber interferometer 52 in which the measurement light SS is input from the first optical comb light source 51S of the light source unit 51 to a first optical coupler 53A via an optical fiber and the reference light SR is input from the second optical comb light source 51R to a second optical coupler 52B via an optical fiber, and a fourth optical coupler 53B in which the reference light SR is input from the second optical comb light source 51R to a second optical coupler 52B via an optical fiber. The optical fiber interferometer 53 is provided with a measurement light detector 54S connected to the fifth optical coupler 53D via two optical fibers, a reference light detector 54R connected to the fifth optical coupler 53E of the optical fiber interferometer 53 via two optical fibers, a reflective optical system 56 connected to the third optical coupler 53C of the optical fiber interferometer 53 via an optical fiber, and an arithmetic processing unit 55 that calculates the distance to the measurement object 1 based on the measurement signal obtained by the measurement light detector 54S and the reference signal obtained by the reference light detector 54R.
この光学式距離計50に備えられた光ファイバー干渉計53は、光ファイバーを介して接続された5個の光カップラ53A~53Eからなり、上記測定光SSが入射される上記第1の光カップラ52Aはそれぞれ光ファイバーを介して接続され第3の光カップラ53Cと第4の光カップラ53Dに接続され、上記参照光SRが入射される上記第2の光カップラ52Bはそれぞれ光ファイバーを介して第4の光カップラ53Dと第5の光カップラ53Dに接続され、さらに、上記第3の光カップラ53Cが光ファイバーを介し上記第5の光カップラ53Dに接続されている。 The optical fiber interferometer 53 provided in this optical range finder 50 is composed of five optical couplers 53A to 53E connected via optical fibers. The first optical coupler 52A into which the measurement light SS is incident is connected via optical fibers to the third optical coupler 53C and the fourth optical coupler 53D, respectively. The second optical coupler 52B into which the reference light SR is incident is connected via optical fibers to the fourth optical coupler 53D and the fifth optical coupler 53D, respectively. Furthermore, the third optical coupler 53C is connected to the fifth optical coupler 53D via an optical fiber.
上記光ファイバー干渉計53では、上記第1の光カップラ52Aに入射された上記測定光SSが上記第3の光カップラ53Cに光ファイバーを介して接続された反射型光学系56から空間に放射して測定対象物1に照射して、上記測定対象物1により反射されて上記反射型光学系56に戻ってくる測定光SS’が上記第3の光カップラ53Cに光ファイバーを介して接続された第5の光カップラ53Eに入射される。 In the optical fiber interferometer 53, the measurement light SS incident on the first optical coupler 52A is emitted into space from a reflective optical system 56 connected to the third optical coupler 53C via an optical fiber, and irradiates the measurement object 1. The measurement light SS' reflected by the measurement object 1 and returning to the reflective optical system 56 is incident on a fifth optical coupler 53E connected to the third optical coupler 53C via an optical fiber.
上記第5の光カップラ53Eは、上記参照光SRが入射される上記第2の光カップラ52Bに光ファイバーを介して接続されているので、該第5の光カップラ53Eにおいて、上記第2の光カップラ52Bに入射された上記参照光SRが上記記反射型光学系56を介して戻ってきた測定光SS’と重ね合わせることにより測定用干渉光が得られる。 The fifth optical coupler 53E is connected via an optical fiber to the second optical coupler 52B to which the reference light SR is incident, so that in the fifth optical coupler 53E, the reference light SR incident on the second optical coupler 52B is superimposed on the measurement light SS' returning via the reflective optical system 56 to obtain interference light for measurement.
この第5の光カップラ53Eは、上記参照光SRと上記測定光SS’とを重ね合わせた測定用干渉光を出力する際に、光カップラの透過側、反射側に配される上記参照光SRと上記測定光SS’の関係を入れ替て二つに分岐して出力する。 When outputting the measurement interference light obtained by superimposing the reference light SR and the measurement light SS', the fifth optical coupler 53E switches the relationship between the reference light SR and the measurement light SS' arranged on the transmission side and reflection side of the optical coupler, and outputs the light by splitting it into two.
上記測定用受光部54Sは、上記第5の光カップラ53Eにより上記参照光SRと上記測定光SS’の関係が入れ替られた二つの測定用干渉光を受光する二つの光検出器を備える差動検出器であり、二つの検出信号の差から測定用干渉信号を取り出す。 The measurement light receiving unit 54S is a differential detector equipped with two photodetectors that receive two measurement interference lights in which the relationship between the reference light SR and the measurement light SS' is swapped by the fifth optical coupler 53E, and extracts a measurement interference signal from the difference between the two detection signals.
この測定用干渉光を測定光受光部54Sで受光することにより、上記測定光受光部54Sによる上記測定用干渉光の検出出力として測定用干渉信号を得ることができる。 By receiving this measurement interference light with the measurement light receiving unit 54S, a measurement interference signal can be obtained as the detection output of the measurement interference light by the measurement light receiving unit 54S.
上記測定用受光部54Sでは、二つの検出信号の差分を計算することによって干渉信号を強調と強度雑音の抑圧が可能になり、測定用干渉信号の信号対雑音比(S/N)を高めることができる。 The measurement light receiving unit 54S calculates the difference between the two detection signals, making it possible to emphasize the interference signal and suppress intensity noise, thereby increasing the signal-to-noise ratio (S/N) of the measurement interference signal.
また、上記第4の光カップラ53Dは、上記測定光SSが入射される上記第1の光カップラ52Aと上記参照光SRが入射される上記第2の光カップラ52Bにそれぞれ光ファイバーを介して接続されているので、該第4の光カップラ53Dにおいて、上記第1の光カップラ52Aに入射された上記測定光SSと上記第2の光カップラ52Bに入射された上記参照光SRとを重ね合わせることにより参照用干渉光が得られる。 The fourth optical coupler 53D is connected to the first optical coupler 52A, into which the measurement light SS is incident, and the second optical coupler 52B, into which the reference light SR is incident, via optical fibers, so that in the fourth optical coupler 53D, the measurement light SS incident on the first optical coupler 52A and the reference light SR incident on the second optical coupler 52B are superimposed to obtain reference interference light.
この第4の光カップラ53Dは、上記測定光SSと上記参照光SRと上記測定光SSとを重ね合わせた参照用干渉光を出力する際に、光カップラの透過側、反射側に配される上記測定光SSと上記参照光SRとの関係を入れ替て二つに分岐して出力する。 When outputting the reference interference light obtained by superimposing the measurement light SS, the reference light SR, and the measurement light SS, the fourth optical coupler 53D switches the relationship between the measurement light SS and the reference light SR arranged on the transmission side and reflection side of the optical coupler, and outputs the light by splitting it into two.
上記参照用受光部54Rは、上記第4の光カップラ53Dにより上記参照光SRと上記測定光SSの関係が入れ替られた二つ参照用干渉光を受光する二つの光検出器を備える差動検出器であり、二つの検出信号の差から参照用干渉信号を取り出す。 The reference light receiving unit 54R is a differential detector equipped with two photodetectors that receive two reference interference lights in which the relationship between the reference light SR and the measurement light SS is swapped by the fourth optical coupler 53D, and extracts a reference interference signal from the difference between the two detection signals.
この参照用干渉光を参照光受光部54Rで受光することにより、上記参照光受光部54Rによる上記参照用干渉光の検出出力として参照用干渉信号を得ることができる。 By receiving this reference interference light with the reference light receiving unit 54R, a reference interference signal can be obtained as the detection output of the reference interference light by the reference light receiving unit 54R.
上記参照用受光部54Sでは、二つの検出信号の差分を計算することによって干渉信号を強調と強度雑音の抑圧が可能になり、参照用干渉信号の信号対雑音比(S/N)を高めることができる。 The reference light receiving unit 54S calculates the difference between the two detection signals, making it possible to enhance the interference signal and suppress intensity noise, thereby increasing the signal-to-noise ratio (S/N) of the reference interference signal.
ここで、上記第3の光カップラ53Cに光ファイバーを介して接続された反射型光学系56上記反射型光学系56は、測定対象物1に照射する測定光SSを平行光に変換するコリメータまたは測定対象物1に反射されて戻ってくる測定光SS’を収束光に変換するフォーカサー、あるいは、上記光ファイバー干渉計53と上記光ファイバー干渉計53の間に設けられるリレー光学系等の光学素子を反射型光学素子にて構成したものである。 Here, the reflective optical system 56 connected to the third optical coupler 53C via an optical fiber is a collimator that converts the measurement light SS irradiated to the measurement object 1 into parallel light, a focuser that converts the measurement light SS' reflected by the measurement object 1 and returned into convergent light, or an optical element such as a relay optical system provided between the optical fiber interferometers 53 and 53, which is composed of reflective optical elements.
反射型光学素子にて構成した反射型光学系56では、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記信号処理部55において、上記光ファイバー干渉計53により得られる上記測定用干渉光を受光する上記測定光受光部54Sによる検出出力として得られる測定用干渉信号と、上記参照用干渉光を受光する上記参照光受光部54Rによる検出出力として得られる参照用干渉信号の時間差(位相差)から、上記測定対象物1までの距離を高精度に算出することができる。 In the reflective optical system 56 composed of reflective optical elements, a distribution of group delay is unlikely to occur in the beam cross section, and there is no group velocity optical path difference. In the signal processing unit 55, the distance to the measurement object 1 can be calculated with high accuracy from the time difference (phase difference) between the measurement interference signal obtained as the detection output by the measurement light receiving unit 54S that receives the measurement interference light obtained by the optical fiber interferometer 53, and the reference interference signal obtained as the detection output by the reference light receiving unit 54R that receives the reference interference light.
ここで、上記レーザー距離計100や各光学式距離計10~50は、測定対象物1に測定光を照射して、測定対象物1により反射されて戻ってくる測定光に基づいて、上記測定対象物1までの距離を測定するものであるが、例えば、図11に示すように、上記測定対象物1に照射する測定光で該測定対象物1を走査する光学スキャン装置81を設けることにより、上記測定対象物1の三次元形状を非接触での測定する光学式三次元形状測定装置80として機能する。
ここで、上記レーザー距離計100や各光学式距離計10~50において、測定対象物1に照射する測定光は、図13に示した評価実験系300により群遅延分布を評価することができる。
すなわち、上記レーザー距離計100や各光学式距離計10~50において、上記反射光学系からなる投光部は、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価する評価実験系により群遅延分布が評価済であるものとすることにより、高品質の光学式距離計を提供することができる。
Here, the laser rangefinder 100 and each of the optical rangefinders 10 to 50 irradiate measurement light onto the object to be measured 1 and measure the distance to the object to be measured 1 based on the measurement light reflected and returned by the object to be measured 1. For example, as shown in Figure 11, by providing an optical scanning device 81 that scans the object to be measured 1 with the measurement light irradiated onto the object to be measured 1, it functions as an optical three-dimensional shape measuring device 80 that measures the three-dimensional shape of the object to be measured 1 in a non-contact manner.
In the laser range finder 100 and each of the optical range finders 10 to 50, the group delay distribution of the measurement light irradiated onto the measurement object 1 can be evaluated by an evaluation experiment system 300 shown in FIG.
That is, in the laser rangefinder 100 and each of the optical rangefinders 10 to 50, the light-projecting section consisting of the reflective optical system irradiates a measurement light beam onto the center of a retroreflector via an optical chopper, and the group delay distribution has been evaluated by an evaluation experimental system that evaluates the group delay distribution on the cross section of the measurement light beam reflected by the retroreflector and returning via the optical chopper, thereby providing a high-quality optical rangefinder.
この光学式三次元形状測定装置80は、例えば図1に示したレーザー距離計100と、レーザー距離計100から出射される測定光SC1で測定対象物1を走査する光学スキャン装置81と、レーザー距離計100の出力に基づいて、測定対象物1 の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理装置82を備える。 This optical three-dimensional shape measuring device 80 includes, for example, a laser rangefinder 100 as shown in Figure 1, an optical scanning device 81 that scans the object to be measured 1 with measuring light SC1 emitted from the laser rangefinder 100, and a signal processing device 82 that measures absolute distances to multiple points on the object to be measured 1 based on the output of the laser rangefinder 100 to obtain a three-dimensional image.
レーザー距離計100は、測定光SC1を空間に出射して、上記光学スキャン装置81により上記測定光SC1で測定対象物1を走査することにより、上記測定対象物1により反射されて上記光学スキャン装置81を介して戻ってきた測定光C1’に基づいて、上記測定対象物1までの絶対距離を計測する。 The laser rangefinder 100 emits measurement light S C1 into space and scans the object to be measured 1 with the measurement light S C1 using the optical scanning device 81, thereby measuring the absolute distance to the object to be measured 1 based on the measurement light C1 ' reflected by the object to be measured 1 and returning via the optical scanning device 81.
上記光学スキャン装置81は、上記レーザー距離計100から出射される測定光SC1で測定対象物1を走査する反射型走査光学系を備える。 The optical scanning device 81 includes a reflective scanning optical system that scans the measurement object 1 with the measurement light SC 1 emitted from the laser range finder 100 .
すなわち、この光学式三次元形状測定装置80では、レーザー距離計100からの出射される測定光SC1が光学スキャン装置81から測定対象物1に向けて照射され、測定対象物1からの反射光SC1’がレーザー距離計100に戻り、物体表面までの絶対距離がレーザー距離計100により計測される。 That is, in this optical three-dimensional shape measuring device 80, the measuring light S C1 emitted from the laser rangefinder 100 is irradiated from the optical scanning device 81 toward the object to be measured 1, the reflected light S C1 ' from the object to be measured 1 returns to the laser rangefinder 100, and the absolute distance to the object surface is measured by the laser rangefinder 100.
信号処理装置82は、上記光学スキャン装置81を制御してレーザービームを走査すると同時に上記レーザー距離計100が計測する測定対象物1の表面までの絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する。 The signal processing device 82 controls the optical scanning device 81 to scan the laser beam, while acquiring absolute distance information to the surface of the object 1 measured by the laser range finder 100, and measures the three-dimensional shape of the object in a non-contact manner by accumulating the beam irradiation position and the absolute distance to that position for multiple points.
この光学式三次元形状測定装置80においても、上記光学スキャン装置81が測定対象物1を走査する反射型走査光学系を備えることにより、反射型走査光学系において測定光SC1および反射光SC1’のビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがないので、上記レーザー距離計100により測定対象物1の表面までの絶対距離を高精度に計測することができ、上記信号処理装置82は、上記レーザー距離計100が計測する測定対象物1の表面までの絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定することができる。 In this optical three-dimensional shape measuring device 80, the optical scanning device 81 is equipped with a reflective scanning optical system that scans the object to be measured 1, so that a group delay distribution is unlikely to occur in the beam cross section of the measurement light S C1 and the reflected light S C1 ' in the reflective scanning optical system, and no group velocity optical path difference is involved, so that the absolute distance to the surface of the object to be measured 1 can be measured with high accuracy by the laser rangefinder 100, and the signal processing device 82 acquires absolute distance information to the surface of the object to be measured 1 measured by the laser rangefinder 100, and accumulates the beam irradiation position and the absolute distance to that location for multiple points, thereby measuring the three-dimensional shape of the object non-contact.
1 測定対象物、10,10A,20,20A,30,40,50 光学式距離計、11,21,31S,31R,41S,41R,110,120 光源、12,22S,22R,32S,32R,42S,42R 投光部、13,23A,23B,33A,33B,43A~43D ビームスプリッタ、14,24,34,44 受光部、15,25,35,45,55,180 信号処理部、33,43 干渉光学系、17,27 反射型フォーカサー、44S 測定光受光部、44R 参照光検出部、16,155 基準面、43E 全反射鏡、51 光源部、51S、51R 光コム光源、52 光ファイバー干渉計、53A~53E 光カップラ、54S 測定光検出器、54R 参照光検出器、80 光学式三次元形状測定装置、81 光学スキャン装置、82 信号処理装置、100 レーザー距離計、111,112 反射型コリメータ、111a,112a 放物面鏡、113,114 1/2波長(λ/2)板、115,116 1/4波長(λ/4)板、130 プリズムユニット、150 測定面、160,170 光検出器、161A,161B,171A,171B フォトディテクタ、162、172 差動検出器 1 Measurement object, 10, 10A, 20, 20A, 30, 40, 50 Optical distance meter, 11, 21, 31S, 31R, 41S, 41R, 110, 120 Light source, 12, 22S, 22R, 32S, 32R, 42S, 42R Light projecting unit, 13, 23A, 23B, 33A, 33B, 43A to 43D Beam splitter, 14, 24, 34, 44 Light receiving unit, 15, 25, 35, 45, 55, 180 Signal processing unit, 33, 43 Interference optical system, 17, 27 Reflection type focuser, 44S Measurement light receiving unit, 44R Reference light detection unit, 16, 155 Reference surface, 43E Total reflection mirror, 51 Light source unit, 51S, 51R Optical comb light source, 52 Optical fiber interferometer, 53A-53E Optical coupler, 54S Measurement light detector, 54R Reference light detector, 80 Optical three-dimensional shape measuring device, 81 Optical scanning device, 82 Signal processing device, 100 Laser distance meter, 111, 112 Reflection collimator, 111a, 112a Parabolic mirror, 113, 114 1/2 wavelength (λ/2) plate, 115, 116 1/4 wavelength (λ/4) plate, 130 Prism unit, 150 Measurement surface, 160, 170 Photodetector, 161A, 161B, 171A, 171B Photodetector, 162, 172 Differential detector
Claims (13)
上記投光部を介して上記測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射された光を強度又は位相が周期的に変調された参照光と重ね合わせる干渉光学系と、
上記投光部から出射される測定光で測定対象物を走査する反射型走査光学系と、
上記干渉光学系により得られる上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を受光する受光部と、
上記受光部による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号である測定信号が入力され、上記測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記測定対象物までの距離を算出し、上記測定対象物の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理部と
を備え、
上記干渉光学系は、上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を上記受光部に入射させることを特徴とする光学式距離計。 a light projection unit including a reflection optical system that irradiates a measurement object with light whose intensity or phase is periodically modulated as measurement light;
an interference optical system that superimposes light reflected by the measurement object out of the measurement light irradiated onto the measurement object via the light projecting unit and a reference light whose intensity or phase is periodically modulated;
a reflective scanning optical system that scans a measurement object with the measurement light emitted from the light projecting unit ;
a light receiving unit that receives interference light between the measurement light and the reference light, which is obtained by the interference optical system and is reflected by the measurement object and returned via the reflective scanning optical system;
a signal processing unit which receives a measurement signal, which is an interference signal obtained as a detection output of the interference light by the light receiving unit, and calculates a distance to the measurement object by analyzing the measurement signal based on a relative relationship between the measurement signal and a reference signal, which is a signal that generates the measurement light or the reference light, or a signal that is generated by the measurement light or the reference light, and measures absolute distances to a plurality of points on the measurement object to obtain a stereoscopic image ;
The optical rangefinder is characterized in that the interference optical system causes interference light between the measurement light and the reference light, which is reflected by the object to be measured and returned via the reflective scanning optical system, to be incident on the light receiving section.
上記光出力端は、光の発生源から空間に光を出力する部分または光の発生源から光導波路で延長された光路の終端部で空間に光を出力する部分であることを特徴とする請求項2に記載の光学式距離計。 The reflection optical system provided in the light projection unit is a reflection collimator that converts modulated light emitted from the light output end into a space into parallel light,
3. The optical rangefinder according to claim 2, wherein the optical output end is a part that outputs light from a light source into space or a part that outputs light into space at the end of an optical path extended from a light source by an optical waveguide .
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