JP2023132668A - 光干渉測距センサ - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象物との間の距離が加速度的に変化しても、当該距離を高精度に計測する。【解決手段】光干渉測距センサ１００は、所定の掃引周波数パターンを用い、連続的に波長を変化させながら光を投光する光源１１０と、受光部１３０によって変換された電気信号に基づいて計測対象物までの距離を計測する処理部１５０と、計測された距離を示す距離情報を記憶する記憶部１４０と、を備え、所定の掃引周波数パターンは、第１掃引周波数パターンと第２掃引周波数パターンとを含み、処理部は、計測された距離と、記憶部に記憶された複数回の過去の距離情報のうち、第１掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第１距離情報及び第２掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第２距離情報と、に基づいて、平均距離値を算出する平均距離値算出部１５３を含む。【選択図】図１０

Description

本発明は、光干渉測距センサに関する。

近年、非接触で計測対象物までの距離を計測する光測距センサが普及している。例えば、光測距センサとして、波長掃引光源から投光される光から、参照光と測定光とに基づく干渉光を生成し、当該干渉光に基づいて計測対象物までの距離を計測する光干渉測距センサが知られている。

従来、この種の光干渉測距センサとして、所定の可干渉距離を有するレーザビームを発生させる手段と、該レーザビームを測定ビームと基準ビームに分割する手段と、少なくとも可干渉距離に対応する所定距離だけ前記基準ビームに対して前記測定ビームを進行させるに十分となるように基準ビームを遅延させる遅延手段と、遅延した前記基準ビームと、前記測定ビーム混合して、混合ビームを形成させる混合手段と、該混合ビームを、実質的に同一の成分の複数のビームへと分割させるステップと、これらの各成分ビームを各別の光路を介して、所定の領域から所定時間間隔により進行する距離の実質的に半分だけ離間した中間位置まで導く導波手段と、各成分ビームの一部をそれぞれの位置において、それぞれの反射経路へと戻すように反射させる手段と、各中間位置からそれぞれの成分ビームの残りを前記所定領域へと向かわせて、そこから少なくとも各中間位置及びそれぞれの経路へと主要部分を反射させ、それぞれの成分ビームの戻ってきた残りの測定ビーム部分と、それぞれの成分ビームのうちの所定部分の基準ビーム部分と、を混合してそれぞれコヒーレントに干渉させて、戻光ビームに各中間位置に対する所定領域の運動に応じた変調を与える手段と、戻光ビームをそれぞれ復調して前記所定領域の運動を表示させる復調手段と、を有することを特徴とする振動物体表面の所定領域の運動検出装置が知られている（特許文献１参照）。

特許第２６８６１２４号公報

ここで、等速運動している計測対象物に対して距離を計測する場合、従来は、現在の距離情報と1回前の距離情報を用いて平均値を算出することで、ドップラー効果の影響、つまり、ドップラーシフトを抑制していた。

しかしながら、例えば所定周波数で振動する振動子を計測対象物として距離を計測する場合、対象物との間の距離が加速度的に変化するので、現在の距離情報におけるドップラー効果によるシフト量と1回前の距離情報におけるドップラー効果によるシフト量とが異なることがあった。その結果、従来の方法では、平均値を算出しても、加速度に応じたズレ（ゆらぎ）が生じるため、距離を精度よく計測することができないおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、計測対象物との間の距離が加速度的に変化しても、当該距離を高精度に計測することのできる光干渉測距センサを提供することを目的の１つとする。

本開示の一態様に係る光干渉測距センサは、所定の掃引周波数パターンを用い、連続的に波長を変化させながら光を投光する光源と、光源から投光された光が供給され、センサヘッドにより計測対象物に照射して反射される測定光と、測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく干渉光を生成する干渉計と、干渉計からの干渉光を受光して電気信号に変換する受光部と、受光部によって変換された電気信号に基づいて、計測対象物までの距離を計測する処理部と、計測された距離を示す距離情報を記憶する記憶部と、を備え、所定の掃引周波数パターンは、第１掃引周波数パターンと、第２掃引周波数パターンとを含み、処理部は、計測された距離と、記憶部に記憶された複数回の過去の距離情報のうち、第１掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第１距離情報、及び、第２掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第２距離情報とに基づいて、平均距離値を算出する平均距離値算出部を含む。

この態様によれば、計測された距離と、記憶部に記憶された複数回の過去の距離情報のうち、第１掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第１距離情報、及び、第２掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第２距離情報とに基づいて、平均距離値が算出される。これにより、例えば振動子等の計測対象物との間の距離が加速度的に変化する場合、従来の方法において生じていた加速度に応じたズレ（ゆらぎ）を、低減することが可能になる。従って、当該平均距離値を用いることで、距離が加速度的に変化する計測対象物Ｔに対して当該距離を高精度に計測することができる。

上記態様において、第１距離情報は、計測された距離の１回前の過去の距離を示し、第２距離情報は、計測された距離の２回前の過去の距離を示してもよい。

この態様によれば、現在（現時点）の距離を含む、直近３回分の距離に基づいて、平均距離値を簡易に算出することができる。

上記態様において、平均距離値算出部は、計測された距離と第１距離情報が示す距離との第１平均値、及び、第１距離情報が示す距離と第２距離情報が示す距離との第２平均値に基づいて、平均距離値を算出してもよい。

この態様によれば、第１掃引周波数パターン及び第２の掃引周波数パターンが交互に使用される場合、加速度に応じたズレ（ゆらぎ）が低減された平均距離値を、さらに簡易に算出することができる。

上記態様において、平均距離値算出部は、計測された距離と、第１距離情報と、第２距離情報と、記憶部に記憶された複数回の過去の距離のうち、第１距離情報及び第２距離情報と異なる、少なくとも１つの第３距離情報と、に基づいて、平均距離値を算出してもよい。

この態様によれば、加速度に応じたズレ（ゆらぎ）をより低減することが可能になる。

上記態様において、第１掃引周波数パターンは、時間とともに掃引周波数を増加させるパターンであり、第２掃引周波数パターンは、時間とともに掃引周波数を減少させるパターンであってもよい。

この態様によれば、第１掃引周波数パターンはアップチャープの信号であり、第２掃引周波数パターンはダウンチャープの信号であり、光源における掃引周波数の信号は、チャープ信号（「スイープ信号」ともいう）になるので、干渉計によって、測定光と参照光との光路長差に応じた干渉光を容易に生成することができる。

上記態様において、光源は、第１掃引周波数パターンと第２掃引周波数パターンとを交互に用いてもよい。

この態様によれば、光源から投光される光について、掃引波長の長短を交互に繰り返すことができる。

上記態様において、処理部は、受光部によって変換された電気信号を周波数スペクトルに変換する周波数変換部をさらに含み、計測対象物までの距離は、周波数スペクトルに基づいて計測されてもよい。

この態様によれば、時間領域の電気信号が周波数領域の周波数スペクトルに変換されるので、周波数スペクトルに含まれる周波数成分を容易に解析することができる。

上記態様において、処理部は、周波数変換部によって変換された周波数スペクトルを計測対象物までの距離に変換する距離変換部をさらに含んでもよい。

この態様によれば、周波数スペクトルから変換することで、計測対象物までの距離を容易に計測することができる。

本発明によれば、計測対象物との間の距離が加速度的に変化しても、当該距離を高精度に計測することができる。

本開示に係る変位センサ１０の概要を示す外観模式図である。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。 本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１の概要を示す機能ブロック図である。 本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明するための図である。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される別の原理を説明するための図である。 センサヘッド２０の概略構成を示す斜視図である。 センサヘッド２０の内部構造を示す模式図である。 コントローラ３０における信号処理について説明するためのブロック図である。 コントローラ３０における処理部５９によって実行される、計測対象物Ｔまでの距離を算出する方法を示すフローチャートである。 波形信号（電圧ｖｓ時間）がスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換される様子を示す図である。 スペクトル（電圧ｖｓ周波数）がスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換される様子を示す図である。 スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークを検出し、それに対応する距離値が算出される様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光干渉測距センサ１００の構成概要を示す模式図である。 図１１は、掃引周波数と計測される距離との関係を説明するするための図である。 計測対象物Ｔに対して、平均距離値算出部１５３が算出する平均距離値の一例を示すグラフである。 図１２に示すグラフにおける一部の範囲を拡大したグラフである。 測定光と参照光とを用いて干渉光を発生させる干渉計のバリエーションを示す図である。

以下、本発明の好適な各実施形態について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する各実施形態は、あくまで、本発明を実施するための具体的な一例を挙げるものであって、本発明を限定的に解釈させるものではない。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する場合がある。

［変位センサの概要］
先ず、本開示に係る変位センサの概要について説明する。
図１は、本開示に係る変位センサ１０の概要を示す外観模式図である。図１に示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０とコントローラ３０とを備え、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を計測する。

センサヘッド２０とコントローラ３０とは、光ファイバ４０で接続されており、センサヘッド２０には対物レンズ２１が取り付けられている。また、コントローラ３０は、表示部３１と、設定部３２と、外部インタフェース（Ｉ／Ｆ）部３３と、光ファイバ接続部３４と、外部記憶部３５とを含み、さらに、内部には、計測処理部３６を有する。

センサヘッド２０は、コントローラ３０から出力される光を計測対象物Ｔに照射し、当該計測対象物Ｔからの反射光を受光する。センサヘッド２０は、コントローラ３０から出力されて光ファイバ４０を介して受光した光を反射させ、上述した計測対象物Ｔからの反射光と干渉させるための参照面を、内部に有している。

なお、センサヘッド２０には対物レンズ２１が取り付けられているが、当該対物レンズ２１は着脱可能な構成となっている。対物レンズ２１は、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの距離に応じて、適切な焦点距離を有する対物レンズに交換可能であって、又は可変焦点の対物レンズを適用してもよい。

さらに、センサヘッド２０を設置する際には、ガイド光（可視光）を計測対象物Ｔに照射して、当該変位センサ１０の計測領域内に計測対象物Ｔが適切に位置するようにセンサヘッド２０及び／又は計測対象物Ｔを設置してもよい。

光ファイバ４０は、コントローラ３０に配置される光ファイバ接続部３４に接続されて延伸し、当該コントローラ３０とセンサヘッド２０とを接続する。これにより、光ファイバ４０は、コントローラ３０から投光される光をセンサヘッド２０に導き、さらに、センサヘッド２０からの戻り光をコントローラ３０へ導くように構成されている。なお、光ファイバ４０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０に着脱可能であって、長さ、太さ及び特性等において種々の光ファイバを適用することができる。

表示部３１は、例えば、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイ等で構成される。表示部３１には、変位センサ１０の設定値、センサヘッド２０からの戻り光の受光量、及び変位センサ１０によって計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）等の計測結果が表示される。

設定部３２は、例えば、機械式ボタンやタッチパネル等をユーザが操作することによって、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定が行われる。これらの必要な設定の全部又は一部は、予め設定されていてもよいし、外部Ｉ／Ｆ部３３に接続された外部接続機器（図示せず）から設定されてもよい。また、外部接続機器は、ネットワークを介して有線又は無線で接続されていてもよい。

ここで、外部Ｉ／Ｆ部３３は、例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、ＲＳ２３２Ｃ、及びアナログ出力等で構成される。外部Ｉ／Ｆ部３３には、他の接続機器に接続されて当該外部接続機器から必要な設定が行われたり、変位センサ１０によって計測された計測結果等を外部接続機器に出力したりしてもよい。

また、コントローラ３０が外部記憶部３５に記憶されたデータを取り込むことにより、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定が行われてもよい。外部記憶部３５は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等の補助記憶装置であって、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定等が予め記憶されている。

コントローラ３０における計測処理部３６は、例えば、連続的に波長を変化させながら光を投光する波長掃引光源、センサヘッド２０からの戻り光を受光して電気信号に変換する受光素子、及び電気信号を処理する信号処理回路等を含む。計測処理部３６では、センサヘッド２０からの戻り光に基づいて、最終的には、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が算出されるように制御部及び記憶部等を用いて様々な処理がなされている。これらの処理についての詳細は後述する。

図２は、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。図２に示されるように、当該手順は、ステップＳ１１～Ｓ１４を含む。

ステップＳ１１では、センサヘッド２０を設置する。例えば、センサヘッド２０から計測対象物Ｔにガイド光を照射して、それを参考にして、センサヘッド２０を適切な位置に設置する。

具体的には、コントローラ３０における表示部３１に、センサヘッド２０からの戻り光の受光量を表示し、ユーザは、当該受光量を確認しながら、センサヘッド２０の向き及び計測対象物Ｔとの距離（高さ位置）等を調整してもよい。基本的には、センサヘッド２０からの光を計測対象物Ｔに対して垂直に（より垂直に近い角度で）照射できれば、当該計測対象物Ｔからの反射光の光量が大きく、センサヘッド２０からの戻り光の受光量も大きくなる。

また、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの距離に応じて、適切な焦点距離を有する対物レンズ２１に交換してもよい。

さらに、計測対象物Ｔを計測するに際して適切な設定ができない場合（例えば、計測に必要な受光量を得られない、又は対物レンズ２１の焦点距離が不適切である等）には、エラー又は設定未完了等を、表示部３１に表示したり、外部接続機器に出力したりして、ユーザに通知するようにしてもよい。

ステップＳ１２では、計測対象物Ｔを計測するに際して種々の計測条件を設定する。例えば、センサヘッド２０が有する固有の校正データ（線形性を補正する関数等）を、ユーザがコントローラ３０における設定部３２を操作することによって設定する。

また、各種パラメータを設定してもよい。例えば、サンプリング時間、計測範囲、及び計測結果を正常とするか異常とするかの閾値等が設定される。さらに、計測対象物Ｔの反射率及び材質等の計測対象物Ｔの特性に応じて測定周期が設定され、及び計測対象物Ｔの材質に応じた測定モード等が設定されるようにしてもよい。

なお、これらの計測条件及び各種パラメータの設定は、コントローラ３０における設定部３２を操作することによって設定されるが、外部接続機器から設定されてもよいし、外部記憶部３５からデータを取り込むことによって設定されてもよい。

ステップＳ１３では、ステップＳ１１で設置されたセンサヘッド２０で、ステップＳ１２で設定された計測条件及び各種パラメータに従って、計測対象物Ｔを計測する。

具体的には、コントローラ３０の計測処理部３６において、波長掃引光源から光が投光され、センサヘッド２０からの戻り光を受光素子で受光し、信号処理回路によって周波数解析、距離変換及びピーク検出等がなされて、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が算出される。具体的な計測処理についての詳細は、後述する。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３で計測された計測結果を出力する。例えば、ステップＳ１３で計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）等を、コントローラ３０における表示部３１に表示したり、外部接続機器に出力したりする。

また、ステップＳ１３で計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が、ステップＳ１２で設定された閾値に基づいて、正常の範囲内であるか異常かについても計測結果として表示又は出力されてもよい。さらに、ステップＳ１２で設定された計測条件、各種パラメータ及び測定モード等も共に表示又は出力されてもよい。

［変位センサを含むシステムの概要］
図３は、本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１の概要を示す機能ブロック図である。図３に示されるように、センサシステム１は、変位センサ１０と、制御機器１１と、制御信号入力用センサ１２と、外部接続機器１３とを備える。なお、変位センサ１０は、制御機器１１及び外部接続機器１３とは、例えば、通信ケーブル又は外部接続コード（例えば、外部入力線、外部出力線及び電源線等を含む）で接続され、制御機器１１と制御信号入力用センサ１２とは信号線で接続される。

変位センサ１０は、図１及び図２を用いて説明したように、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を計測する。そして、変位センサ１０は、その計測結果等を制御機器１１及び外部接続機器１３に出力してもよい。

制御機器１１は、例えば、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）であって、変位センサ１０が計測対象物Ｔを計測するに際して、当該変位センサ１０に対して各種の指示を与える。

例えば、制御機器１１は、制御機器１１に接続された制御信号入力用センサ１２からの入力信号に基づいて、測定タイミング信号を変位センサ１０に出力してもよいし、ゼロリセット命令信号（現在の計測値を０に設定するための信号）等を変位センサ１０に出力してもよい。

制御信号入力用センサ１２は、変位センサ１０が計測対象物Ｔを計測するタイミングを指示するオン／オフ信号を、制御機器１１に出力する。例えば、制御信号入力用センサ１２は、計測対象物Ｔが移動する生産ラインの近傍に設置され、計測対象物Ｔが所定の位置に移動してきたことを検知して、制御機器１１にオン／オフ信号を出力すればよい。

外部接続機器１３は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）であって、ユーザが操作することによって、変位センサ１０に対して様々な設定を行うことができる。

具体例としては、測定モード、動作モード、測定周期、及び計測対象物Ｔの材質等が設定される。

測定モードの設定として、制御機器１１内部で周期的に計測開始する「内部同期計測モード」、又は制御機器１１外部からの入力信号に応じて計測開始する「外部同期計測モード」等が選択される。

動作モードの設定として、実際に計測対象物Ｔを計測する「運転モード」、又は計測対象物Ｔを計測するための計測条件を設定する「調整モード」等が選択される。

測定周期は、計測対象物Ｔを測定する周期であり、計測対象物Ｔの反射率に応じて設定すればよいが、仮に、計測対象物Ｔの反射率が低い場合であっても、測定周期を長くして適切に測定周期を設定すれば、計測対象物Ｔを適切に測定することができる。

計測対象物Ｔについて、反射光の成分として拡散反射が比較的多い場合に適した「粗面モード」、反射光の成分として鏡面反射が比較的多い場合に適した「鏡面モード」、又はこれらの中間的な「標準モード」等が選択される。

このように、計測対象物Ｔの反射率及び材質に応じて、適切な設定を行うことによって、より高精度に計測対象物Ｔを計測することができる。

図４は、本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。図４に示されるように、当該手順は、上述した外部同期計測モードの場合の手順であって、ステップＳ２１～Ｓ２４を含む。

ステップＳ２１では、センサシステム１は、計測される対象である計測対象物Ｔを検知する。具体的には、制御信号入力用センサ１２は、生産ライン上において、計測対象物Ｔが所定の位置に移動してきたことを検知する。

ステップＳ２２では、センサシステム１は、ステップＳ２１で検知された計測対象物Ｔを変位センサ１０によって計測するように計測指示する。具体的には、制御信号入力用センサ１２は、制御機器１１にオン／オフ信号を出力することにより、ステップＳ２１で検知された計測対象物Ｔを測定するタイミングを指示し、制御機器１１は、当該オン／オフ信号に基づいて、変位センサ１０に測定タイミング信号を出力して、計測対象物Ｔを計測するように計測指示する。

ステップＳ２３では、変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される。具体的には、変位センサ１０は、ステップＳ２２で受け取った計測指示に基づいて、計測対象物Ｔを計測する。

ステップＳ２４では、センサシステム１は、ステップＳ２３で計測された計測結果を出力する。具体的には、変位センサ１０は、計測処理の結果を、表示部３１に表示したり、外部Ｉ／Ｆ部３３を経由して制御機器１１又は外部接続機器１３等に出力したりする。

なお、ここでは、図４を用いて、制御信号入力用センサ１２によって計測対象物Ｔが検知されることにより計測対象物Ｔを計測する外部同期計測モードの場合についての手順を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、内部同期計測モードの場合は、ステップＳ２１及びＳ２２に代わって、予め設定された周期に基づいて測定タイミング信号が生成されることにより、計測対象物Ｔを計測するように変位センサ１０に指示する。

次に、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明する。
図５Ａは、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明するための図である。図５Ａに示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０を備える。センサヘッド２０は、対物レンズ２１と、複数のコリメートレンズ２２ａ～２２ｃとを含み、コントローラ３０は、波長掃引光源５１と、光増幅器５２と、複数のアイソレータ５３及び５３ａ～５３ｂと、複数の光カプラ５４及び５４ａ～５４ｅと、減衰器５５と、複数の受光素子（例えば、フォトディテクタ（ＰＤ））５６ａ～５６ｃと、複数の増幅回路５７ａ～５７ｃと、複数のアナログデジタル（ＡＤ）変換部（例えば、アナログデジタルコンバータ）５８ａ～５８ｃと、処理部（例えば、プロセッサ）５９と、バランスディテクタ６０と、補正信号生成部６１とを含む。

波長掃引光源５１は、波長を掃引したレーザ光を投光する。波長掃引光源５１としては、例えば、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）を電流で変調する方式を適用すれば、共振器長が短いためにモードホップを起こしにくく、波長を変化させることが容易であり、低コストで実現することができる。

光増幅器５２は、波長掃引光源５１から投光される光を増幅する。光増幅器５２は、例えば、ＥＤＦＡ（ｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を適用し、例えば、１５５０ｎｍ専用の光増幅器であってもよい。

アイソレータ５３は、入射した光を一方向に透過させる光学素子であって、戻り光によって発生するノイズの影響を防ぐために、波長掃引光源５１の直後に配置されてもよい。

このように、波長掃引光源５１から投光された光は、光増幅器５２によって増幅され、アイソレータ５３を介して、光カプラ５４によって主干渉計と副干渉計とに分岐される。例えば、光カプラ５４では、主干渉計と副干渉計とに９０：１０～９９：１の割合で光を分岐するようにしてもよい。

主干渉計に分岐された光は、さらに、１段目の光カプラ５４ａによって、センサヘッド２０の方向と２段目の光カプラ５４ｂの方向とに分岐される。

１段目の光カプラ５４ａによってセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ａ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）が参照面となり、当該参照面で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、１段目の光カプラ５４ａに戻り、その後、受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。

１段目の光カプラ５４ａによって２段目の光カプラ５４ｂの方向に分岐された光は、アイソレータ５３ａを介して２段目の光カプラ５４ｂに向かい、当該２段目の光カプラ５４ｂによって、さらにセンサヘッド２０の方向と３段目の光カプラ５４ｃの方向とに分岐される。光カプラ５４ｂからセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、１段目と同様に、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ｂ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）が参照面となり、当該参照面で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、２段目の光カプラ５４ｂに戻り、当該光カプラ５４ｂによってアイソレータ５３ａ及び受光素子５６ｂそれぞれの方向へ分岐される。光カプラ５４ｂから受光素子５６ｂの方向へ分岐された光は、受光素子５６ｂで受光されて電気信号に変換される。一方、アイソレータ５３ａは、前段の光カプラ５４ａから後段の光カプラ５４ｂへ光を透過し、後段の光カプラ５４ｂから前段の光カプラ５４ａへの光を遮断するため、光カプラ５４ｂからアイソレータ５３ａの方向へ分岐された光は、遮断される。

２段目の光カプラ５４ｂによって３段目の光カプラ５４ｃの方向に分岐された光は、アイソレータ５３ｂを介して３段目の光カプラ５４ｃに向かい、当該３段目の光カプラ５４ｃによって、さらにセンサヘッド２０の方向と減衰器５５の方向とに分岐される。光カプラ５４ｃからセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、１段目及び２段目と同様に、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ｃ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）が参照面となり、当該参照面で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、３段目の光カプラ５４ｃに戻り、当該光カプラ５４ｃによってアイソレータ５３ｂ及び受光素子５６ｃそれぞれの方向へ分岐される。光カプラ５４ｃから受光素子５６ｃの方向へ分岐された光は、受光素子５６ｃで受光されて電気信号に変換される。一方、アイソレータ５３ｂは、前段の光カプラ５４ｂから後段の光カプラ５４ｃへ光を透過し、後段の光カプラ５４ｃから前段の光カプラ５４ｂへの光を遮断するため、光カプラ５４ｃからアイソレータ５３ｂの方向へ分岐された光は、遮断される。

なお、３段目の光カプラ５４ｃによってセンサヘッド２０でない方向に分岐された光は、計測対象物Ｔの計測に用いられないため、反射して戻ってこないように、例えば、ターミネータ等の減衰器５５によって減衰されるとよい。

このように、主干渉計では、３段の光路（３チャネル）を有し、それぞれセンサヘッド２０の光ファイバの先端（端面）から計測対象物Ｔまでの距離の２倍（往復）を光路長差とした干渉計であり、それぞれ光路長差に応じた３つの干渉光を生成している。

受光素子５６ａ～５６ｃは、上述したように主干渉計からの干渉光を受光し、当該受光した受光量に応じた電気信号を生成する。

増幅回路５７ａ～５７ｃは、それぞれ受光素子５６ａ～５６ｃから出力される電気信号を増幅する。

ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃは、それぞれ増幅回路５７ａ～５７ｃによって増幅された電気信号を受信して、当該電気信号に関してアナログ信号からデジタル信号に変換する（ＡＤ変換）。ここで、ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃは、副干渉計における補正信号生成部６１からの補正信号に基づいて、ＡＤ変換する。

副干渉計では、波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性を補正するために、副干渉計にて干渉信号を取得し、Ｋクロックと呼ばれる補正信号を生成する。

具体的には、光カプラ５４によって副干渉計に分岐された光は、光カプラ５４ｄによって、さらに分岐される。ここで、分岐された各光の光路は、例えば、光カプラ５４ｄと光カプラ５４ｅとの間において異なる長さの光ファイバを用いて光路長差を有するように構成されて、当該光路長差に応じた干渉光が光カプラ５４ｅから出力される。そして、バランスディテクタ６０は、光カプラ５４ｅからの干渉光を受光し、その逆位相の信号との差分を取ることによってノイズを除去しつつ、光信号を増幅して電気信号に変換する。

なお、光カプラ５４ｄ及び光カプラ５４ｅは、いずれも５０：５０の割合で光を分岐すればよい。

補正信号生成部６１は、バランスディテクタ６０からの電気信号に基づいて、波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性を把握し、当該非線形に応じたＫクロックを生成し、ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃに出力する。

波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性から、主干渉計においてそれぞれＡＤ変換部５８ａ～５８ｃに入力されるアナログ信号の波の間隔は等間隔ではない。ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃでは、波の間隔が等間隔になるように、上述したＫクロックに基づいてサンプリング時間を補正してＡＤ変換（サンプリング）される。

なお、Ｋクロックは、上述したように、主干渉計のアナログ信号をサンプリングするために用いられる補正信号であるため、主干渉計のアナログ信号よりも高周波に生成される必要がある。具体的には、副干渉計における光カプラ５４ｄと光カプラ５４ｅとの間で設けられた光路長差を、主干渉計における光ファイバの先端（端面）と計測対象物Ｔとの間で設けられた光路長差よりも長くしてもよいし、補正信号生成部６１で周波数を逓倍（例えば、８倍等）して高周波化してもよい。

処理部５９は、それぞれＡＤ変換部５８ａ～５８ｃによって非線形性が補正されつつＡＤ変換されたデジタル信号を取得し、当該デジタル信号に基づいて、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を算出する。具体的には、処理部５９では、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いてデジタル信号を周波数変換し、それらを解析することによって距離が算出される。処理部５９における詳細な処理については後述する。

なお、処理部５９では、高速処理が要求されることから、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）等の集積回路で実現される場合が多い。

また、ここでは、主干渉計において３段の光路を設けて、センサヘッド２０によってそれぞれの光路から計測対象物Ｔに対して測定光が照射され、それぞれから得られる干渉光（戻り光）に基づいて、計測対象物Ｔまでの距離等が計測される（マルチチャネル）。主干渉計におけるチャネルは、３段に限定されるものではなく、１段又は２段であってもよいし、４段以上であってもよい。

図５Ｂは、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される別の原理を説明するための図である。図５Ｂに示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０を備える。センサヘッド２０は、対物レンズ２１と、複数のコリメートレンズ２２ａ～２２ｃとを含み、コントローラ３０は、波長掃引光源５１と、光増幅器５２と、複数のアイソレータ５３及び５３ａ～５３ｂと、複数の光カプラ５４及び５４ａ～５４ｊと、減衰器５５と、複数の受光素子（例えば、フォトディテクタ（ＰＤ））５６ａ～５６ｃと、複数の増幅回路５７ａ～５７ｃと、複数のアナログデジタル（ＡＤ）変換部（例えば、アナログデジタルコンバータ）５８ａ～５８ｃと、処理部（例えば、プロセッサ）５９と、バランスディテクタ６０と、補正信号生成部６１とを含む。図５Ｂに示された変位センサ１０は、主に、光カプラ５４ｆ～５４ｊを備えている点で、図５Ａに示された変位センサ１０の構成とは異なり、当該異なる構成による原理について、図５Ａと比較しながら詳しく説明する。

波長掃引光源５１から投光された光は、光増幅器５２によって増幅され、アイソレータ５３を介して、光カプラ５４によって主干渉計側と副干渉計側とに分岐されるが、主干渉計側に分岐された光は、さらに、光カプラ５４ｆによって測定光と参照光とに分岐される。

測定光は、図５Ａで説明したように、１段目の光カプラ５４ａによってコリメートレンズ２２ａ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射する。ここで、図５Ａでは、光ファイバの先端（端面）を参照面として、当該参照面で反射した光と計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されていたが、図５Ｂでは、光が反射する参照面を設けていない。すなわち、図５Ｂでは、図５Ａのように参照面で反射する光が発生しないため、計測対象物Ｔで反射された測定光が１段目の光カプラ５４ａに戻ることなる。

同様に、１段目の光カプラ５４ａから２段目の光カプラ５４ｂの方向に分岐された光は、当該２段目の光カプラ５４ｂによってコリメートレンズ２２ｂ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射して２段目の光カプラ５４ｂに戻る。２段目の光カプラ５４ｂから３段目の光カプラ５４ｃの方向に分岐された光は、当該３段目の光カプラ５４ｃによってコリメートレンズ２２ｃ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射して３段目の光カプラ５４ｃに戻る。

一方、光カプラ５４ｆによって分岐された参照光は、さらに、光カプラ５４ｇによって光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに分岐される。

光カプラ５４ｈでは、光カプラ５４ａから出力される計測対象物Ｔで反射された測定光と、光カプラ５４ｇから出力される参照光とが干渉し、干渉光が生成されて、受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。換言すれば、光カプラ５４ｆによって測定光と参照光とに分岐され、当該測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、コリメートレンズ２２ａ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｈまで到達する光路）と、当該参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｈまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。

同様に、光カプラ５４ｉでは、測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、５４ｂ、コリメートレンズ２２ｂ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｉまで到達する光路）と、参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｉまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ｂで受光されて電気信号に変換される。

光カプラ５４ｊでは、測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、コリメートレンズ２２ｃ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｊまで到達する光路）と、参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｊまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ｃで受光されて電気信号に変換される。なお、受光素子５６ａ～５６ｃは、例えば、バランスフォトディテクタであってもよい。

このように、主干渉計では、３段の光路（３チャネル）を有し、それぞれ計測対象物Ｔで反射されて光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに入力される測定光と、光カプラ５４ｆ及び５４ｇを介してそれぞれ光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに入力される参照光との光路長差に応じた３つの干渉光を生成している。

なお、測定光と参照光との光路長差は、３チャネルにおいてそれぞれ異なるように、例えば、光カプラ５４ｇと、各光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊとの光路長を異なるように設定してもよい。

そして、それぞれから得られる干渉光に基づいて、計測対象物Ｔまでの距離等が計測される（マルチチャネル）。

［センサヘッドの構造］
ここで、変位センサ１０に用いられるセンサヘッドの構造について説明する。
図６Ａは、センサヘッド２０の概略構成を示す斜視図であり、図６Ｂは、センサヘッドの内部構造を示す模式図である。

図６Ａに示されるように、センサヘッド２０は、レンズホルダ２３に対物レンズ２１及びコリメートレンズが格納されている。例えば、レンズホルダ２３のサイズは、対物レンズ２１を囲う一辺の長さが２０ｍｍ程度であり、光軸方向への長さが４０ｍｍ程度である。

図６Ｂに示されるように、レンズホルダ２３には、１つの対物レンズ２１及び３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃが格納されている。光ファイバからの光は、光ファイバアレイ２４を介して３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃに導かれるように構成されており、さらに、３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃを通過した光は、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔに照射される。

このように、これらの光ファイバ、コリメートレンズ２２ａ～２２ｃ及び光ファイバアレイ２４は、対物レンズ２１とともに、レンズホルダ２３によって保持されて、センサヘッド２０を構成している。

また、センサヘッド２０を構成するレンズホルダ２３は、高強度で、また高精度に加工できる金属（例えば、Ａ２０１７）で作製されていてもよい。

図７は、コントローラ３０における信号処理について説明するためのブロック図である。図７に示されるように、コントローラ３０は、複数の受光素子７１ａ～７１ｅと、複数の増幅回路７２ａ～７２ｃと、複数のＡＤ変換部７４ａ～７４ｃと、処理部７５と、差動増幅回路７６と、補正信号生成部７７とを備える。

コントローラ３０では、図５Ａで示されたように、波長掃引光源５１から投光された光を光カプラ５４によって主干渉計と副干渉計とに分岐し、それぞれより得られる主干渉信号及び副干渉信号を処理することによって、計測対象物Ｔまでの距離値を算出している。

複数の受光素子７１ａ～７１ｃは、図５Ａに示された受光素子５６ａ～５６ｃに相当し、主干渉計からの主干渉信号をそれぞれ受光して、電流信号としてそれぞれ増幅回路７２ａ～７２ｃに出力する。

複数の増幅回路７２ａ～７２ｃは、電流信号を電圧信号に変換（Ｉ－Ｖ変換）して増幅する。

複数のＡＤ変換部７４ａ～７４ｃは、図５Ａに示されたＡＤ変換部５８ａ～５８ｃに相当し、後述する補正信号生成部７７からのＫクロックに基づいて、電圧信号をデジタル信号に変換する（ＡＤ変換）。

処理部７５は、図５Ａに示された処理部５９に相当し、ＡＤ変換部７４ａ～７４ｃからのデジタル信号をＦＦＴを用いて周波数に変換し、それらを解析して、計測対象物Ｔまでの距離値を算出する。

複数の受光素子７１ｄ～７１ｅ及び差動増幅回路７６は、図５Ａに示されたバランスディテクタ６０に相当し、副干渉計における干渉光をそれぞれ受光して、一方は位相の反転した干渉信号を出力し、２つの信号の差分を取ることによってノイズを除去しつつ、干渉信号を増幅して電圧信号に変換する。

補正信号生成部７７は、図５Ａに示された補正信号生成部６１に相当し、電圧信号をコンパレータで２値化し、Ｋクロックを生成し、ＡＤ変換部７４ａ～７４ｃに出力する。Ｋクロックは、主干渉計のアナログ信号よりも高周波に生成される必要があるため、補正信号生成部７７で周波数を逓倍（例えば、８倍等）して高周波化してもよい。

図８は、コントローラ３０における処理部５９によって実行される、計測対象物Ｔまでの距離を算出する方法を示すフローチャートである。図８に示されるように、当該方法は、ステップＳ３１～Ｓ３４を含む。

ステップＳ３１では、処理部５９は、下記ＦＦＴを用いて、波形信号（電圧ｖｓ時間）をスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換する。図９Ａは、波形信号（電圧ｖｓ時間）がスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換される様子を示す図である。

ステップＳ３２では、処理部５９は、スペクトル（電圧ｖｓ周波数）をスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換する。図９Ｂは、スペクトル（電圧ｖｓ周波数）がスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換される様子を示す図である。

ステップＳ３３では、処理部５９は、スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークに対応する距離値を算出する。図９Ｃは、スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークを検出し、それに対応する距離値が算出される様子を示す図である。図９Ｃに示されるように、ここでは、３チャネルにおいて、それぞれスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出され、それぞれピークに対応する距離値が算出される。

ステップＳ３４では、処理部５９は、ステップＳ３３で算出された距離値を平均化する。具体的には、処理部５９は、ステップＳ３３で３チャネルにおいてそれぞれスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出され、それに対応する距離値が算出されているため、それらを平均化して、当該平均化した算出結果を計測対象物Ｔまでの距離として出力する。

なお、ステップＳ３４では、処理部５９は、ステップＳ３３で算出された距離値を平均化する際に、ＳＮＲが閾値以上である距離値平均化することが好ましい。例えば、３チャンネルのうち、いずれかのチャンネルにおいて、そのスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出されたものの、ＳＮＲが閾値未満の場合には、当該スペクトルに基づいて算出される距離値は、信頼性が低いと判断し、採用しない。

次に、本開示に関して、より特徴的な構成、機能及び性質を中心に、具体的な実施形態として詳細に説明する。なお、以下に示される光干渉測距センサは、図１～図９を用いて説明した変位センサ１０に相当し、当該光干渉測距センサに含まれる基本的な構成、機能及び性質の全部又は一部は、図１～図９を用いて説明した変位センサ１０に含まれる構成、機能及び性質と共通している。

＜一実施形態＞
［光干渉測距センサの構成］
図１０は、本発明の一実施形態に係る光干渉測距センサ１００の構成概要を示す模式図である。図１０に示されるように、光干渉測距センサ１００は、波長掃引光源１１０と、干渉計１２０と、受光部１３０ａ～１３０ｃと、記憶部１４０と、処理部１５０とを備える。なお、受光部１３０ａ～１３０ｃを区別する必要がない場合、それぞれを単に受光部１３０と称する場合がある。図１０に示す光干渉測距センサ１００は、多段式の光干渉測距センサとして構成され、一例として、干渉計を３つ備える３段構成の光干渉測距センサとして構成されるが、干渉計の数（すなわち、段数）は、２つであっても、４つ以上であってもよい。

波長掃引光源１１０は、干渉計１２０の分岐部１２１に接続され、連続的に波長を変化させながら光を投光する。波長掃引光源１１０は、光を投光する際に、所定の掃引周波数パターンを用いる。所定の掃引周波数パターンは、第１掃引周波数パターンと第２掃引周波数パターンとを含む。掃引周波数パターンの詳細については、後述する。

干渉計１２０は、分岐部１２１及びセンサヘッド１２２を含み、分岐部１２１は、入力された光を複数の光路に分岐し、それぞれ光ファイバを介してセンサヘッド１２２に導かれる。センサヘッド１２２には、例えば、図６Ａ及び図６Ｂに示したように、複数の光路それぞれにコリメートレンズ１２３ａ～１２３ｃが配置されており、さらに対物レンズ１２４が取り付けられ、又は含まれる。

分岐部１２１は、波長掃引光源１１０から投光されて入力された光を、計測対象物Ｔのうちの複数のスポット（ここでは３つのスポット）に照射するように光路Ａ～Ｃに分岐して出力する。分岐部１２１は、例えば、光カプラ等であってもよい。

光路Ａに分岐された光は、光ファイバを介して、測定光としてコリメートレンズ１２３ａ及び対物レンズ１２４を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射される。そして、計測対象物Ｔで反射された反射光（第１反射光）は、対物レンズ１２４及びコリメートレンズ１２３ａを通じて光ファイバの先端から分岐部１２１に戻る。

また、光路Ａに分岐された光は、光ファイバを介して、測定光として計測対象物Ｔに照射されるが、その一部は、参照光として参照面で反射される。ここでは、光ファイバの先端が参照面となり、当該参照面で反射された反射光（第２反射光）は、当該光ファイバを介して分岐部１２１に戻る。

このとき、分岐部１２１から光路Ａの光ファイバに出力された光について、測定光は、計測対象物Ｔに照射されて第１反射光として当該光ファイバを介して分岐部１２１に戻り、参照光は、当該光ファイバの先端である参照面で反射された第２反射光として当該光ファイバを介して分岐部１２１に戻るため、測定光と参照光との光路長差に応じて干渉光が発生する。すなわち、光路Ａの光ファイバの先端から計測対象物Ｔまでの往復距離が光路長差となり、干渉計１２０は、第１反射光と第２反射光とに基づいて第１干渉光を発生させて、分岐部１２１への戻り光としている。なお、測定光及び参照光の光路長は、いずれも、光路の空間的長さに屈折率を乗じて得られる値であってよい。

同様に、光路Ｂに分岐された光は、光ファイバを介して、測定光としてコリメートレンズ１２３ｂ及び対物レンズ１２４を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射される。そして、計測対象物Ｔで反射された反射光（第１反射光）は、対物レンズ１２４及びコリメートレンズ１２３ｂを通じて光ファイバの先端から分岐部１２１に戻る。また、光路Ｂに分岐された光は、その一部は、参照光として、光ファイバの先端である参照面で反射され、当該参照面で反射された反射光（第２反射光）は、当該光ファイバを介して分岐部１２１に戻る。

このとき、分岐部１２１から光路Ｂの光ファイバに出力された光について、測定光と参照光との光路長差に応じて干渉光が発生する。すなわち、光路Ｂの光ファイバの先端から計測対象物Ｔまでの往復距離が光路長差となり、干渉計１２０は、第１反射光と第２反射光とに基づいて第２干渉光を発生させて、分岐部１２１への戻り光としている。

同様に、光路Ｃに分岐された光は、光ファイバを介して、測定光としてコリメートレンズ１２３ｃ及び対物レンズ１２４を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射される。そして、計測対象物Ｔで反射された反射光（第１反射光）は、対物レンズ１２４及びコリメートレンズ１２３ｃを通じて光ファイバの先端から分岐部１２１に戻る。また、光路Ｃに分岐された光は、その一部は、参照光として、光ファイバの先端である参照面で反射され、当該参照面で反射された反射光（第２反射光）は、当該光ファイバを介して分岐部１２１に戻る。

このとき、分岐部１２１から光路Ｃの光ファイバに出力された光について、測定光と参照光との光路長差に応じて干渉光が発生する。すなわち、光路Ｃの光ファイバの先端から計測対象物Ｔまでの往復距離が光路長差となり、干渉計１２０は、第１反射光と第２反射光とに基づいて第３干渉光を発生させて、分岐部１２１への戻り光としている。

このように、波長掃引光源１１０から投光されて入力された光は、分岐部１２１によって分岐され、それぞれ分岐された光路Ａ～Ｃにおいて、計測対象物Ｔの各スポットを照射した測定光と、各光路Ａ～Ｃにおける光ファイバの先端である参照面で反射される参照光との光路長差に基づく第１干渉光、第２干渉光、及び第３干渉光を発生させて、干渉計１２０によって、それぞれ、戻り光として受光部１３０に出力される。

受光部１３０ａ～１３０ｃは、受光素子１３１ａ～１３１ｃと、ＡＤ変換部１３２ａ～１３２ｃとをそれぞれ有する。受光素子１３１ａ～１３１ｃは、例えば、フォトディテクタであって、分岐部１２１の出力ポートである分岐ａ～ｃから出力される光を受光し、電気信号に変換する。ＡＤ変換部１３２ａ～１３２ｃは、当該電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。

受光部１３０ａ～１３０ｃは、光路Ａ～Ｃにそれぞれ対応しており、分岐部１２１の分岐ａ～ｃから出力される光をそれぞれ受光する。

光路Ａで生成された第１干渉光は、分岐部１２１の光カプラ等によって所定の分岐比で分岐され、出力される。受光部１３０ａは、分岐部１２１の分岐ａから出力される光を受光して、これに基づいてデジタル信号を生成し、処理部１５０に供給する。

光路Ｂで生成された第２干渉光は、分岐部１２１の光カプラ等によって所定の分岐比で分岐され、出力される。受光部１３０ｂは、分岐部１２１の分岐ｂから出力される光を受光して、これに基づいてデジタル信号を生成し、処理部１５０に供給する。

光路Ｃで生成された第３干渉光は、分岐部１２１の光カプラ等によって所定の分岐比で分岐され、出力される。受光部１３０ｃは、分岐部１２１の分岐ｃから出力される光を受光して、これに基づいてデジタル信号を生成し、処理部１５０に供給する。

処理部１５０は、受光部１３０ａ～１３０ｃによって変換された各デジタル信号に基づいて、計測対象物Ｔまでの距離を計測する。処理部１５０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ）等の集積回路を含んで構成されるプロセッサである。

記憶部１４０は、処理部１５０によって計測された距離を示す距離情報を記憶する。記憶部１４０は、処理部１５０によって計測された距離について、対応する距離情報を追加保存するように構成されている。そのため、記憶部１４０は、過去に計測された距離を示す距離情報を過去の複数回にわたって保持している。記憶部１４０は、プログラムやデータ等を記憶しており、処理部１５０にアクセス（読み出し及び書き込み）可能に接続される。記憶部１４０は、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、キャッシュメモリ及び／又はバッファメモリ等を含んで構成されるメモリである。

また、処理部１５０は、機能ブロックとして、周波数変換部１５１、距離変換部１５２及び平均距離値算出部１５３を含む。

周波数変換部１５１は、受光部１３０によって変換された電気信号を周波数スペクトルに変換する。例えば図９Ａに示すように、受光部１３０のＡＤ変換部１３２からのデジタル信号は、ＦＦＴを用いて周波数スペクトルに変換される。計測対象物Ｔまでの距離は、この周波数スペクトルに基づいて計測される。これにより、時間領域の電気信号が周波数領域の周波数スペクトルに変換されるので、周波数スペクトルに含まれる周波数成分を容易に解析することができる。

距離変換部１５２は、周波数変換部１５１によって変換された周波数スペクトルを距離に変換する。例えば図９Ｂに示すように、周波数と電圧の信号である周波数スペクトルにおいて、ピーク周波数が対応する距離に変換される。これにより、周波数スペクトルから変換することで、計測対象物Ｔまでの距離を容易に計測することができる。

平均距離値算出部１５３は、計測された距離と、記憶部１４０に記憶された複数回の過去の距離情報のうち、第１掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第１距離情報、及び、第２掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第２距離情報とに基づいて、平均距離値が算出するように構成されている。平均距離値は、計測された距離、第１距離情報が示す距離、及び第２距離情報が示す距離の少なくとも３つの距離について、平均化処理を施して算出される値である。なお、第１距離情報が示す距離、及び第２距離情報が示す距離の詳細については、後述する。

具体的には、平均距離値算出部１５３は、計測された距離と記憶部１４０に記憶された第１距離情報が示す距離との第１平均値、及び、当該第１距離情報が示す距離と記憶部１４０に記憶された第２距離情報が示す距離との第２平均値に基づいて、平均距離値を算出する。この場合、平均距離値は、計測された距離、第１距離情報が示す距離、第１距離情報が示す距離及び第２距離情報が示す距離の少なくとも４つの距離について、平均化処理を施して算出される。

図１１は、掃引周波数と計測される距離との関係を説明するための図である。上述したように、波長掃引光源１１０は、所定の掃引周波数パターンを用い、連続的に波長を変化させながら光を投光する。言い換えれば、波長掃引光源１１０は、所定の掃引周波数パターンを用いて連続的に周波数を変化させながら、光を投光する。干渉計１２０において、計測対象物Ｔを照射して反射される測定光と光ファイバの先端である参照面で反射される参照光との光路長差に基づいて干渉光が発生し、この干渉光が受光部１３０によって電気信号に変換され、処理部１５０が当該電気信号に基づいて計測対象物Ｔまでの距離を算出する。

波長掃引光源１１０が連続的に変化させる周波数は、一般的に掃引周波数と呼ばれる。掃引周波数を時間とともに変化させるときの周期的なパターン（波形）を掃引周波数パターンという。図１１に示すように、波長掃引光源１１０は、第１掃引周波数パターンと第２掃引周波数パターンとを用いて光を投光する。

第１掃引周波数パターンは、例えば時間とともに掃引周波数を増加させるパターンである。一方、第２掃引周波数パターンは、例えば時間とともに掃引周波数を減少させるパターンである。これにより、第１掃引周波数パターンはアップチャープの信号であり、第２掃引周波数パターンはダウンチャープの信号であり、波長掃引光源１１０における掃引周波数の信号は、チャープ信号（「スイープ信号」ともいう）になるので、干渉計１２０によって、測定光と参照光との光路長差に応じた干渉光を容易に生成することができる。

第１掃引周波数パターン及び第２掃引周波数パターンの周期は、それぞれ、５０μｓである。波長掃引光源１１０は、第１掃引周波数パターンと第２掃引周波数パターンとを交互に用いる。これにより、波長掃引光源１１０から投光される光について、掃引波長の長短を交互に繰り返すことができる。

－５０μｓから０μｓまでの間、波長掃引光源１１０は、掃引周波数（波長）を連続的に増加させる第１掃引周波数パターンを用いて、光を投光する。この光に基づいて干渉光が干渉計１２０で生成され、受光部１３０は生成された干渉光を受光して電気信号に変換する。処理部１５０は、時間軸における０μｓの時点または０μｓの直後に、この電気信号に基づいて計測対象物Ｔまでの距離ｄ₀を計測する。すなわち、第１掃引周波数パターンを用いた光に基づく距離ｄ₀が計測される。計測された距離ｄ₀を示す距離情報は、記憶部１４０に追加され、記憶される。この距離ｄ₀は、時間軸における０μｓの時点、つまり、現時点において計測された、現在の距離を表している。

－１００μｓから－５０μｓまでの間、波長掃引光源１１０は、掃引周波数（波長）を連続的に減少させる第２掃引周波数パターンを用いて、光を投光する。この光に基づいて干渉光が干渉計１２０で生成され、受光部１３０は生成された干渉光を受光して電気信号に変換する。処理部１５０は、時間軸における－５０μｓの時点または－５０μｓの直後に、この電気信号に基づいて計測対象物Ｔまでの距離ｄ_-1を計測する。すなわち、第２掃引周波数パターンを用いた光に基づく距離ｄ_-1が計測される。計測された距離ｄ_-1を示す情報は、記憶部１４０に追加され、記憶される。距離ｄ_-1を示す情報は、上述した第１距離情報の一例に相当する。

－１５０μｓから－１００μｓまでの間、波長掃引光源１１０は、掃引周波数（波長）を連続的に増加させる第１掃引周波数パターンを用いて、光を投光する。この光に基づいて干渉光が干渉計１２０で生成され、受光部１３０は生成された干渉光を受光して電気信号に変換する。処理部１５０は、時間軸における－１００μｓの時点または－１００μｓの直後に、この電気信号に基づいて計測対象物Ｔまでの距離ｄ_-2を計測する。すなわち、第１掃引周波数パターンを用いた光に基づく距離ｄ_-2が計測される。計測された距離ｄ_-2を示す距離情報は、記憶部１４０に追加され、記憶される。距離ｄ_-2を示す距離情報は、上述した第２距離情報の一例に相当する。

このように、第１距離情報は、計測された距離の１回前の過去の距離ｄ_-1を示し、第２距離情報は、計測された距離の２回前の過去の距離ｄ_-2を示す。これにより、現在（現時点）の距離ｄ₀を含む、直近３回分の距離ｄ₀～ｄ_-2に基づいて、平均距離値を簡易に算出することができる。

同様にして、時間軸における－１５０μｓの時点または－１５０μｓの直後に、第２掃引周波数パターンを用いた光に基づく距離ｄ_-3が計測され、時間軸における－２００μｓの時点または－２００μｓの直後に、第１掃引周波数パターンを用いた光に基づく距離ｄ_-4が計測され、時間軸における－２５０μｓの時点または－２５０μｓの直後に、第２掃引周波数パターンを用いた光に基づく距離ｄ_-5が計測される。計測された距離ｄ_-2～ｄ_-5を示す距離情報は、それぞれ、記憶部１４０に追加され、記憶される。なお、距離ｄ_-1を示す距離情報は、上述した第１距離情報の他の例に相当し、距離ｄ_-3を示す距離情報及び距離ｄ_-5を示す距離情報は、それぞれ、上述した第２距離情報の他の例に相当する。

距離ｄ₀は、時間軸における０μｓの時点において、現在（現時点）の距離を示す情報として記憶され、読み出し可能になっている。距離ｄ_-1～ｄ_-5は、時間軸における０μｓの時点において、それぞれ、複数回の過去の距離を示す情報として記憶され、読み出し可能になっている。

なお、図１１では、過去の距離として５回の過去の距離を示す情報を記憶する例を示したが、これに限定されるものではない。過去の距離は、２回以上の複数回であればよく、６回以上であってもよい。

次に、計測対象物Ｔとの間の距離が加速度的に変化しているときに、処理部１５０の平均距離値算出部１５３が算出する平均距離値について説明する。以下において、計測対象物Ｔとして、所定周波数、例えば１２０Ｈｚで振動する振動子である場合の例を用いて説明する。

図１２は、計測対象物Ｔに対して、平均距離値算出部１５３が算出する平均距離値の一例を示すグラフであり、図１３は、図１２に示すグラフにおける一部の範囲を拡大したグラフである。図１２及び図１３において、本実施形態における光干渉測距センサ１００の平均距離値を太線で示し、参考例として、仮想の光干渉測距センサにおいて算出される平均距離値を破線で示す。なお、仮想の光干渉測距センサは、本実施形態における光干渉測距センサ１００と比較するために仮想したものであり、現在の距離と１回前の過去の距離とに基づいて平均距離値を算出する点を除き、光干渉測距センサ１００と略同一の構成を備えるものである。

計測対象物Ｔとの間の距離が加速度的に変化する場合、仮想の光干渉測距センサのように現在の距離と１回前の過去の距離との平均である平均距離値を算出すると、図１２及び図１３に破線で示すように、距離は、平均化しているにもかかわらず、時間の経過とともに大きくゆらいでおり、ズレ（ゆらぎ）成分が存在する。

この現象は、以下のように説明することができる。すなわち、時間軸の０μｓの時点において算出される現在の距離ｄ₀は、以下の式（１）で表される。
ｄ₀＝ｄ－ｗ＊（ｖ₀＋ａ＊（０＊Δｔ）） …（１）
但し、各記号は以下のとおりである。
ｄ：時間軸の時刻０における計測対象物Ｔとの間の距離
Δｄ：Δｔの間の時間で変化する距離
ｗ：ドップラー定数［ｓ］
ｖ₀：時間軸の時刻０における速度
a：加速度

１回前の過去の距離ｄ_-1は、同じ記号を用いて以下の式（２）で表される。
ｄ_-1＝ｄ－Δｄ＋ｗ＊（ｖ₀＋ａ＊（１＊Δｔ）） …（２）

なお、１回前の過去の距離ｄ_-1は、本来でれば（Δｔ）²の項を含んでいる。しかし、当該項は無視できる程度の非常に小さい値であるため、式（２）では省略して表記する。

その結果、仮想の光干渉測距センサが算出する平均距離値ｄ_av’は、式（１）及び式（２）を用いて、以下の式（３）で表される。
ｄ_av’＝ｄ―Δｄ／２＋ｗ＊ａ＊Δｔ／２ …（３）

式（３）におけるｗ＊ａ＊Δｔ／２の項は、図１２及び図１３におけるズレ（ゆらぎ）成分に相当すると考えられる。これは、仮想の光干渉測距センサの平均距離値ｄ_av’が、現在の距離ｄ₀と１回前の過去の距離ｄ_-1との平均である場合に限定されるものではない。１回前の過去の距離ｄ_-1と２回前の過去の距離ｄ_-2との平均である場合や、ｊ回前（ｊは２以上の整数宇）の過去の距離ｄ_-jと（ｊ＋１）回前の過去の距離ｄ_-(j+1)との平均である場合であっても、仮想の光干渉測距センサが算出する平均距離値には、上述したズレ（ゆらぎ）成分に相当する項が存在する。

これに対して、本実施形態における光干渉測距センサ１００では、処理部１５０の平均距離値算出部１５３が、上述した平均距離値を算出する。具体的には、平均距離値算出部１５３は、計測された現在の距離ｄ₀と第１距離情報が示す距離との第１平均値、及び、第１距離情報が示す距離と第２距離情報が示す距離との第２平均値ｄ_av2に基づいて、平均距離値ｄ_avを算出する。以下において、第１距離情報が示す距離は１回前の過去の距離ｄ_-1であり、第２距離情報が示す距離は２回前の過去の距離ｄ_-2である例を用いて説明する。

現在の距離ｄ₀と１回前の過去の距離ｄ_-1との第１平均値ｄ_av1は、以下の式（４）で表される。
ｄ_av1＝（ｄ₀＋ｄ_-1）／２ …（４）

また、１回前の過去の距離ｄ_-1と２回前の過去の距離ｄ_-2との第２平均値ｄ_av2は、以下の式（５）で表される。
ｄ_av2＝（ｄ_-1＋ｄ_-2）／２ …（５）

平均距離値算出部１５３が算出する平均距離値ｄ_avは、式（４）及び式（５）を用いて以下の式（６）で表される。
ｄ_av＝（ｄ_av1＋ｄ_av2）／２＝（ｄ₀＋２＊ｄ_-1＋ｄ_-2）／４ …（６）

ここで、２回前の過去の距離ｄ_-2は、上述したものと同じ記号を用いると、以下の式（７）のように表される。
ｄ_-2＝ｄ－２＊Δｄ－ｗ＊（ｖ₀＋ａ＊（２＊Δｔ）） …（７）

よって、平均距離値算出部１５３が算出する平均距離値ｄ_avは、式（６）と、式（１）、式（２）、及び式（７）とを用いて、以下の式（８）で表される。
ｄ_av＝ｄ－Δｄ …（８）

式（８）から明らかなように、平均距離値ｄ_avは、仮想の光干渉測距センサの平均距離値ｄ_av’に存在していたズレ（ゆらぎ）成分に相当する項を含まない。その結果、図１２及び図１３の太線で示すように、平均距離値ｄ_avである距離は、仮想の光干渉測距センサと比較して、時間の経過に伴うゆらぎを低減することできる。

このように、計測された距離と、記憶部１４０に記憶された複数回の過去の距離情報のうち、第１掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第１距離情報、及び、第２掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第２距離情報とに基づいて、平均距離値が算出される。これにより、例えば振動子等の計測対象物Ｔとの間の距離が加速度的に変化する場合、従来の方法において生じていた加速度に応じたズレ（ゆらぎ）を、低減することが可能になる。従って、当該平均距離値を用いることで、距離が加速度的に変化する計測対象物Ｔに対して当該距離を高精度に計測することができる。

本実施形態では、計測された距離ｄ₀と、第１距離情報が示す距離及び第２距離情報が示す距離の２つの過去の距離とに基づいて、平均距離値を算出する場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。高速化の必要がない場合、平均距離値算出部１５３は、記憶部１４０に記憶された複数回の過去の距離のうち、第１距離情報及び第２距離情報と異なる、少なくとも１つの第３距離情報にさらに基づいて、平均距離値を算出してもよい。

この場合、平均距離値ｄ_avは、例えば以下の式（９）を用いて算出される。
ｄ_av＝（ｄ₀＋ｄ_-1＋ｄ_-3＋ｄ_-4）／４ …（９）

このように、平均距離値算出部１５３は、計測された距離ｄ₀と、第１距離情報と、第２距離情報と、前記記憶部に記憶された複数回の過去の距離のうち、第１距離情報及び第２距離情報と異なる、少なくとも１つの第３距離情報と、に基づいて、平均距離値を算出する。これにより、加速度に応じたズレ（ゆらぎ）をより低減することが可能になる。

また、平均距離値ｄ_avは、計測された距離ｄ₀と第１距離情報が示す距離との第１平均値ｄ_av1、及び、第１距離情報が示す距離と第２距離情報が示す距離との第２平均値ｄ_av2に基づいて、算出される。これにより、第１掃引周波数パターン及び第２の掃引周波数パターンが交互に使用される場合、加速度に応じたズレ（ゆらぎ）が低減された平均距離値ｄ_avを、さらに簡易に算出することができる。

なお、第１距離情報が示す距離は１回前の過去の距離ｄ_-1であり、第２距離情報が示す距離は２回前の過去の距離ｄ_-2である場合に限定されるものではない。平均距離値算出部１５３が算出する平均距離値ｄ_avは、上述した式（６）と、正の整数ｋ（ｋ＝１、２、３、…）とを用いて、以下の式（１０）のように上位概念化して表すことができる。
ｄ_av＝（ｄ₀＋２＊ｄ_-(2k-1)＋ｄ_-2(2k-1)）／４ …（１０）

さらに、平均距離値ｄ_avは、次のように一般化することが可能である。すなわち、上述したように、計測対象物Ｔとの間の距離が加速度的に変化する場合、計測される距離ｄは、現在及び過去のいずれにおいても、ドップラー定数ｗの項が含まれる。ここで、ドップラー定数ｗの項Ｄに着目すると、距離ｄ₀から距離ｄ_-3までのそれぞれに含まれるドップラー定数ｗの項Ｄ₀から項Ｄ_-3は、ｗ＊ｖ₀を定数α、ｗ＊ａ＊Δｔを定数βとすると、以下の式（１１）から式（１４）で表される。
Ｄ₀＝－（α＋０＊β） …（１１）
Ｄ_-1＝＋（α＋１＊β） …（１２）
Ｄ_-2＝－（α＋２＊β） …（１３）
Ｄ_-3＝＋（α＋３＊β） …（１４）

これらの式（１１）から式（１４）を０を含む自然数ｍを用いて一般化すると、ドップラー定数ｗの項Ｄ_mは、以下の式（１５）で表される。
Ｄ_-m＝（－１）^-m（ｍβ－α） …（１５）

過去の距離を用いた平均距離値ｄ_avを算出する際の平均化によって、ドップラー定数ｗの項Ｄ_mが消えてくれれば、上述した式（８）のように、平均距離値ｄ_avにドップラー定数ｗの項が残らないと考えられる。よって、ドップラー定数ｗの項Ｄ_mを用いて以下の式（１６）を満たすような自然数ｍの組み合わせを求める。
Ｄ_-s＋Ｄ_-t＋Ｄ_-u＋…＝０ …（１６）
但し、各記号は以下のとおりである。
ｓ、ｔ、ｕ：ｍの任意の元

具体例を挙げると、現在の距離ｄ₀におけるドップラー定数ｗの項Ｄ_-0と、１回前の過去の距離ｄ_-1におけるドップラー定数ｗの項Ｄ_-1と、１回前の過去の距離ｄ_-1におけるドップラー定数ｗの項Ｄ_-1と、２回前の過去の距離ｄ_-2におけるドップラー定数ｗの項Ｄ_-2との組み合わせにおいて、これらの和（Ｄ_-0＋Ｄ_-1＋Ｄ_-1＋Ｄ_-2）をとれば、上述した式（１６）を満たすことになる。また、現在の距離ｄ₀におけるドップラー定数ｗの項Ｄ_-0と、１回前の過去の距離ｄ_-1におけるドップラー定数ｗの項Ｄ_-1と、３回前の過去の距離ｄ_-3におけるドップラー定数ｗの項Ｄ_-3と、４回前の過去の距離ｄ_-4におけるドップラー定数ｗの項Ｄ_-4との組み合わせにおいて、これらの和（Ｄ_-0＋Ｄ_-1＋Ｄ_-3＋Ｄ_-4）をとっても、上述した式（１６）を満たすことになる。

このようにして、ドップラー定数ｗの影響をなくすことにより、加速度に応じたズレ（ゆらぎ）が低減された平均距離値ｄ_avを算出してもよい。

本実施形態において、平均距離値ｄ_avは、説明を簡略化するために、算術平均（「相加平均」ともいう）で算出する例を示したが、これに限定されるものではない。平均距離値ｄ_avは、算術平均以外の平均化方法を用いて算出されてもよいし、減算を含んでいてもよい。

例えば、平均距離値ｄ_avは、二乗平均平方根を用いて算出することが可能である。具体的には、計測された現在の距離ｄ₀と１回前の過去の距離ｄ_-1、及び、１回前の過去の距離ｄ_-1と２回前の過去の距離ｄ_-2の二乗平均は、上述した定数α及び定数βを用いて以下の式（１７）で表される。
ｄ₀ ²＋２ｄ_-1 ²＋ｄ_-2 ²＝４（ｄ²－２Δｄ＊ｄ＋Δｄ²）＋２Δｄ²＋４Δｄ＊β＋４α²＋８α＊β＋６β² …（１７）

式（１７）において、後半の項、つまり、項Δｄ²、Δｄ＊β、α²、α＊β、及びβ²は、項ｄ²と比較して十分に小さい値であるため、無視してもよいと考えられる。よって、上述した式（１７）は以下の式（１８）のように近似することできる。
ｄ₀ ²＋２ｄ_-1 ²＋ｄ_-2 ²≒４（ｄ²－２Δｄ＊ｄ＋Δｄ²） …（１８）

従って、二乗平均平方根を用いる平均距離値ｄ_avは、以下の式（１９）で表される。
ｄ_av＝｛（ｄ₀ ²＋２ｄ_-1 ²＋ｄ_-2 ²）／４｝^1/2＝（ｄ²－２Δｄ＊ｄ＋Δｄ²）^1/2＝ｄ－Δｄ …（１９）

このように、二乗平均平方根で算出する場合でも、平均距離値ｄ_avは、ドップラー定数の項である定数α及び定数βのいずれも含んでいないので、加速度に応じたズレ（ゆらぎ）を低減することが可能になる。

また、例えば、平均距離値ｄ_avは、減算が含まれる式を用いて算出することも可能である。具体的には、計測された現在の距離ｄ₀と１回前の過去の距離ｄ_-1と３回前の過去の距離ｄ_-3とを用いて以下の式（２０）を規定する。
２ｄ₀＋３ｄ_-1－ｄ_-3＝４ｄ…（２０）

この場合、平均距離値ｄ_avは、以下の式（２１）で表される。
ｄ_av＝（２ｄ₀＋３ｄ_-1－ｄ_-3）／４＝ｄ…（２１）

このように、減算を含む式を規定して算出する場合でも、平均距離値ｄ_avは、ドップラー定数の項である定数α及び定数βのいずれも含んでいないので、加速度に応じたズレ（ゆらぎ）を低減することが可能になる。

以上のように、本発明の一実施形態に係る光干渉測距センサ１００によれば、計測された距離と、記憶部１４０に記憶された複数回の過去の距離情報のうち、第１掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第１距離情報、及び、第２掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第２距離情報とに基づいて、平均距離値が算出される。これにより、例えば振動子等の計測対象物Ｔとの間の距離が加速度的に変化する場合、従来の方法において生じていた加速度に応じたズレ（ゆらぎ）を、低減することが可能になる。従って、当該平均距離値を用いることで、距離が加速度的に変化する計測対象物Ｔに対して当該距離を高精度に計測することができる。

本実施形態では、所定の掃引周波数パターンとして、第１掃引周波数パターンと第２掃引周波数パターンとを含む例を示したが、これに限定されるものではない。所定の掃引周波数パターンは、第１掃引周波数パターン及び第２掃引周波数パターンのいずれか一方のみを含んでいてもよいし、第１掃引周波数パターン及び第２掃引周波数パターン以外の掃引周波数パターンを含んでいてもよい。

また、波長掃引光源１１０は、第１掃引周波数パターンと第２掃引周波数パターンとを交互に用いる場合に限定されるものではい。所定の掃引周波数パターンは、例えば、アップチャープの信号、アップチャープの信号、ダウンチャープの信号、ダウンチャープの信号を含み、波長掃引光源１１０は、これらの４つの信号を上述した順番で用いてもよい。

［干渉計の変形例］
上述した実施形態では、光干渉測距センサ１００は、干渉計１２０において光ファイバの先端を参照面とすることで参照光を発生させるフィゾー干渉計を用いていたが、干渉計は、これに限定されるものではない。

図１４は、測定光と参照光とを用いて干渉光を発生させる干渉計のバリエーションを示す図である。図１４（ａ）では、分岐部１２１によって分岐された光路Ａ～Ｃにおいて、それぞれ光ファイバの先端（端面）を参照面とする参照光と、センサヘッドから照射され計測対象物Ｔで反射される測定光との光路長差に基づいて干渉光が生成される。上述した本実施形態に係る光干渉測距センサ１００の干渉計１２０の構成であり（フィゾー干渉計）、当該参照面は、光ファイバと空気との屈折率の違いによって光が反射するように構成されていてもよい（フレネル反射）。また、光ファイバの先端に反射膜をコーティングしてもよいし、光ファイバの先端に無反射コーティングを施して、別途、レンズ面等の反射面を配置してもよい。

図１４（ｂ）では、分岐部１２１によって分岐された光路Ａ～Ｃにおいて、計測対象物Ｔに測定光を導く測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３と、参照光を導く参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３とを形成し、参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３の先にはそれぞれ参照面が配置されている（マイケルソン干渉計）。参照面は、光ファイバの先端に反射膜をコーティングしてもよいし、光ファイバの先端に無反射コーティングを施して、別途、ミラー等を配置してもよい。当該構成では、各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長と、各参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３の光路長とで光路長差を設けることによって、各光路Ａ～Ｃにおいて干渉光が生成される。各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長を調整することができるため、センサヘッドにおける光学設計を容易にすることができる。

図１４（ｃ）では、分岐部１２１によって分岐された光路Ａ～Ｃにおいて、計測対象物Ｔに測定光を導く測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３と、参照光を導く参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３とを形成し、参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３には、バランスディテクタが配置されている（マッハツェンダ干渉計）。当該構成では、各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長と、各参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３の光路長とで光路長差を設けることによって、各光路Ａ～Ｃにおいて干渉光が生成される。各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長を調整することができるため、センサヘッドにおける光学設計を容易にすることができる。

このように、干渉計は、本実施形態で説明したフィゾー型干渉計に限定されるものではなく、例えば、マイケルソン干渉計やマッハツェンダ干渉計であってもよいし、測定光と参照光との光路長差を設定することによって干渉光を発生させることができれば、どのような干渉計を適用してもよいし、これらの組み合わせ等やその他の構成を適用してもよい。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

［付記１］
所定の掃引周波数パターンを用い、連続的に波長を変化させながら光を投光する光源（１１０）と、
前記光源（１１０）から投光された光が供給され、センサヘッド（１２２）により計測対象物（Ｔ）に照射して反射される測定光と、前記測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく干渉光を生成する干渉計（１２０）と、
前記干渉計（１２０）からの干渉光を受光して電気信号に変換する受光部（１３０）と、
前記受光部（１３０）によって変換された電気信号に基づいて、前記計測対象物（Ｔ）までの距離を計測する処理部（１５０）と、
前記計測された距離を示す距離情報を記憶する記憶部（１４０）と、を備え、
前記所定の掃引周波数パターンは、第１掃引周波数パターンと、第２掃引周波数パターンとを含み、
前記処理部（１５０）は、前記計測された距離と、前記記憶部（１４０）に記憶された複数回の過去の距離情報のうち、前記第１掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第１距離情報、及び、前記第２掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第２距離情報とに基づいて、平均距離値を算出する平均距離値算出部（１５３）を含む、
光干渉測距センサ（１００）。

１…センサシステム、１０…変位センサ、１１…制御機器、１２…制御信号入力用センサ、１３…外部接続機器、２０…センサヘッド、２１…対物レンズ、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…コリメートレンズ、２３…レンズホルダ、２４…光ファイバアレイ、３０…コントローラ、３１…表示部、３２…設定部、３３ 外部Ｉ／Ｆ部、３４…光ファイバ接続部、３５…外部記憶部、３６…計測処理部、４０…光ファイバ、５１…波長掃引光源、５２…光増幅器、５３，５３ａ，５３ｂ…アイソレータ、５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ，５４ｅ，５４ｆ，５４ｇ，５４ｈ，５４ｉ，５４ｊ…光カプラ、５５…減衰器、
５６ａ，５６ｂ，５６ｃ…受光素子、５７ａ，５７ｂ，５７ｃ…増幅回路、５８ａ，５８ｂ，５８ｃ…ＡＤ変換部、５９…処理部、６０…バランスディテクタ、６１…補正信号生成部、７１ａ，１７ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７１ｅ…受光素子、７２ａ，７２ｂ，７２ｃ…増幅回路、７４ａ，７４ｂ，７４ｃ…ＡＤ変換部、７５…処理部、７６…差動増幅回路、７７…補正信号生成部、１００…光干渉測距センサ、１１０…波長掃引光源、１２０…干渉計、１２１…分岐部、１２２…センサヘッド、１２３ａ…コリメートレンズ、１２３ｂ…コリメートレンズ、１２３ｃ…コリメートレンズ、１２４…対物レンズ、１３０，１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ…受光部、１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ…受光素子、１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ…ＡＤ変換部、１４０…記憶部、１５０…処理部、１５１…周波数変換部、１５２…距離変換部、１５３…平均距離値算出部、Ｔ…計測対象物、ｖｓ…電圧。

Claims (8)

1. 所定の掃引周波数パターンを用い、連続的に波長を変化させながら光を投光する光源と、
   前記光源から投光された光が供給され、センサヘッドにより計測対象物に照射して反射される測定光と、前記測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく干渉光を生成する干渉計と、
   前記干渉計からの干渉光を受光して電気信号に変換する受光部と、
   前記受光部によって変換された電気信号に基づいて、前記計測対象物までの距離を計測する処理部と、
   前記計測された距離を示す距離情報を記憶する記憶部と、を備え、
   前記所定の掃引周波数パターンは、第１掃引周波数パターンと、第２掃引周波数パターンとを含み、
   前記処理部は、前記計測された距離と、前記記憶部に記憶された複数回の過去の距離情報のうち、前記第１掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第１距離情報、及び、前記第２掃引周波数パターンを用いて投光された光に基づく距離を示す第２距離情報とに基づいて、平均距離値を算出する平均距離値算出部を含む、
   光干渉測距センサ。
2. 前記第１距離情報は、前記計測された距離の１回前の過去の距離を示し、前記第２距離情報は、前記計測された距離の２回前の過去の距離を示す、
   請求項１に記載の光干渉測距センサ。
3. 前記平均距離値算出部は、前記計測された距離と前記第１距離情報が示す距離との第１平均値、及び、前記第１距離情報が示す距離と前記第２距離情報が示す距離との第２平均値に基づいて、前記平均距離値を算出する、
   請求項２に記載の光干渉測距センサ。
4. 前記平均距離値算出部は、前記計測された距離と、前記第１距離情報と、前記第２距離情報と、前記記憶部に記憶された複数回の過去の距離のうち、前記第１距離情報及び前記第２距離情報と異なる、少なくとも１つの第３距離情報と、に基づいて、前記平均距離値を算出する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
5. 前記第１掃引周波数パターンは、時間とともに掃引周波数を増加させるパターンであり、前記第２掃引周波数パターンは、時間とともに掃引周波数を減少させるパターンである、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
6. 前記光源は、前記第１掃引周波数パターンと前記第２掃引周波数パターンとを交互に用いる、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
7. 前記処理部は、前記受光部によって変換された電気信号を周波数スペクトルに変換する周波数変換部をさらに含み、
   前記計測対象物までの距離は、前記周波数スペクトルに基づいて計測される、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
8. 前記処理部は、前記周波数変換部によって変換された周波数スペクトルを前記計測対象物までの距離に変換する距離変換部をさらに含む、
   請求項７に記載の光干渉測距センサ。

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