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WO2024209789A1 - 距離測定装置 - Google Patents

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Publication number
WO2024209789A1
WO2024209789A1 PCT/JP2024/004347 JP2024004347W WO2024209789A1 WO 2024209789 A1 WO2024209789 A1 WO 2024209789A1 JP 2024004347 W JP2024004347 W JP 2024004347W WO 2024209789 A1 WO2024209789 A1 WO 2024209789A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wavelength
light
distance
signal
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2024/004347
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
孝行 清原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to CN202480019111.9A priority Critical patent/CN120917286A/zh
Priority to JP2025512426A priority patent/JPWO2024209789A1/ja
Publication of WO2024209789A1 publication Critical patent/WO2024209789A1/ja
Priority to US19/331,670 priority patent/US20260016577A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02002—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies
    • G01B9/02003—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies using beat frequencies

Definitions

  • This disclosure relates to a distance measuring device.
  • Optical interference using laser light is widely used as a means of obtaining information indicating the distance and/or shape of an object without contact.
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave Radar
  • OCT optical coherence tomography
  • OCT optical coherence tomography
  • a Michelson interferometer using a single-wavelength laser is one method for measuring distance differences on the order of nanometers as light intensity.
  • Optical measurements with nanometer accuracy are capable of non-contact and highly accurate measurements, but have the problem that the measurement range is limited to sub-micrometer units, which is half the wavelength. For this reason, there are cases where it is difficult to measure samples that have both nanometer-scale structures and structures on the scale of several tens of micrometers.
  • Multi-wavelength interference which is optical interference using two or more single-wavelength laser beams, is expected to be a solution to this problem.
  • Multi-wavelength interference can eliminate the trade-off between measurement range and measurement accuracy, which has traditionally been an issue, and can simultaneously achieve a long measurement range and high measurement accuracy.
  • Patent Document 1 it is said that by combining the results of optical interference of laser light with different wavelengths, it is possible to eliminate the trade-off between measurement range and measurement accuracy, which has been a conventional problem, and achieve a long measurement range and high measurement accuracy.
  • a distance measurement device using the principle of multi-wavelength interference (MWI) as disclosed in Patent Document 1 requires two or more single-wavelength laser lights with different wavelengths. In this case, if the frequency stability of the two or more single-wavelength laser lights differs from each other, the accuracy of distance measurement may decrease depending on the combination of wavelengths used when calculating the distance.
  • MMI multi-wavelength interference
  • the present disclosure provides a distance measuring device that can achieve both a long measurement range and higher measurement accuracy.
  • a distance measuring device includes a light source unit that emits a first single-wavelength laser light having a first wavelength and a second single-wavelength laser light having a second wavelength different from the first wavelength, an optical unit that causes multiple light beams incident on the optical unit to interfere with each other, detects a first light component having the first wavelength from the interference light generated by the interference of the multiple light beams, outputs a first signal corresponding to the result of detecting the first light component, and detects a second light component having the second wavelength from the interference light, outputs a second signal corresponding to the result of detecting the second light component, and a processing circuit that processes the first signal and the second signal.
  • the processing circuit calculates a first distance within a first range with a first accuracy based on the first signal, and calculates a second distance within a second range with a second accuracy based on the first signal and the second signal, the first accuracy being higher than the second accuracy, the second range being longer than the first range, and the stability of the frequency of the first single-wavelength laser light being higher than the stability of the frequency of the second single-wavelength laser light.
  • This disclosure makes it possible to achieve both a long measurement range and higher measurement accuracy.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a distance measuring device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a light source unit of the distance measuring device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of an optical unit of the distance measuring device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the first principle of measurement using a single-wavelength laser light by the distance measuring device according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the second principle of measurement using a plurality of single-wavelength laser beams by the distance measuring device according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the measurement range and measurement accuracy of two measurements by the distance measuring device according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the stability of the frequency of a single-wavelength laser beam.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of the operation of the distance measuring device according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart showing another example of the operation of the distance measuring device according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a light source unit of a distance measuring device according to a modified example of the embodiment.
  • Measurement accuracy refers to the degree of accuracy when measuring distance. In other words, measurement accuracy is a measure of how accurately distance information can be obtained. Therefore, it can be said that the higher the measurement accuracy, the more accurate the measurement.
  • the “measurement range” refers to the range in the distance direction in which unique distance information can be obtained.
  • the measurement range refers to the range in which distance measurement is possible.
  • both the measurement accuracy and the measurement range are expressed in the same dimension as the distance.
  • the units of the measurement accuracy and the measurement range are both expressed in nanometers (nm), micrometers ( ⁇ m), millimeters (mm), etc. Therefore, “high measurement accuracy” is synonymous with “short measurement accuracy” expressed in the dimension of distance. “low measurement accuracy” is synonymous with “long measurement accuracy” expressed in the dimension of distance.
  • measurement accuracy may be simply referred to as “accuracy”.
  • Measurement range may be simply referred to as "range”.
  • a distance measurement within the measurement range is called “absolute distance measurement.”
  • a distance measurement with an accuracy of 10 nm and a measurement range of 1 mm is an absolute distance measurement that can distinguish a difference of 10 nm within a range of 1 mm.
  • a distance measuring device includes a light source unit, an optical unit, and a processing circuit.
  • the light source unit emits a first single-wavelength laser light having a first wavelength and a second single-wavelength laser light having a second wavelength different from the first wavelength.
  • the optical unit causes a plurality of lights incident on the optical unit to interfere with each other, detects a first light component having the first wavelength from the interference light generated by the interference of the plurality of lights, and outputs a first signal corresponding to the result of detecting the first light component, and detects a second light component having the second wavelength from the interference light, and outputs a second signal corresponding to the result of detecting the second light component.
  • the processing circuit processes the first signal and the second signal.
  • the processing circuit calculates a first distance within a first range with a first accuracy based on the first signal, and calculates a second distance within a second range with a second accuracy based on the first signal and the second signal.
  • the first accuracy is higher than the second accuracy.
  • the second range is longer than the first range.
  • the frequency stability of the first single-wavelength laser light is greater than the frequency stability of the second single-wavelength laser light.
  • the first measurement can be performed based on the first single-wavelength laser light, which has a high frequency stability, making it possible to achieve both a long measurement range and higher measurement accuracy.
  • laser light sources with high frequency stability are generally expensive.
  • the frequency stability of laser light other than the light source emitting the first single-wavelength laser light may be low. Therefore, for example, an inexpensive light source can be used as the light source emitting the second single-wavelength laser light, which is expected to reduce costs.
  • the distance measuring device may be the distance measuring device according to the first aspect, wherein the second accuracy is equal to or less than the first range.
  • the distance measuring device is the distance measuring device according to the second aspect, wherein the processing circuit may further calculate the distance from the distance measuring device to the object based on the first distance and the second distance.
  • the processing circuit calculates the distance from the distance measuring device to the target object, eliminating the need for the user to perform calculations by hand, for example, and improving user convenience.
  • the distance measuring device is the distance measuring device according to the third aspect, in which the processing circuit calculates the absolute distance from the distance measuring device to the object.
  • a distance measuring device is a distance measuring device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the plurality of lights may include the first single-wavelength laser light, the second single-wavelength laser light, a first reflected light generated by reflection of the first single-wavelength laser light on an object, and a second reflected light generated by reflection of the second single-wavelength laser light on the object, and the optical unit may output the first signal by detecting interference between the first single-wavelength laser light and the first reflected light, and output the second signal by detecting interference between the second single-wavelength laser light and the second reflected light.
  • a distance measuring device is the distance measuring device according to the fifth aspect, wherein the optical unit includes a beam splitter, a first photodetector, and a second photodetector, and the beam splitter may split the first single-wavelength laser light from the light source unit into a first reference light and a first detection light, and may split the second single-wavelength laser light from the light source unit into a second reference light and a second detection light, the first reflected light is light generated by reflection of the first detection light on the object, and the second reflected light is light generated by reflection of the second detection light on the object, the first photodetector may detect the first light component generated by interference between the first reference light and the first reflected light to output the first signal, and the second photodetector may detect the second light component generated by interference between the second reference light and the second reflected light to output the second signal.
  • the optical unit includes a beam splitter, a first photodetector, and a second photodetector
  • the beam splitter may split the first
  • a distance measuring device is the distance measuring device according to the sixth aspect, wherein the optical unit includes an optical element that causes the first reference light and the second reference light to be incident on the beam splitter, and a wavelength separation element that separates the incident light into light of the first wavelength and light of the second wavelength, and the beam splitter may emit at least a portion of each of the first reflected light and the second reflected light from the object and at least a portion of each of the first reference light and the second reference light from the optical element toward the wavelength separation element.
  • the distance measurement device is a distance measurement device according to any one of the fifth to seventh aspects, in which the processing circuit may correct the second signal based on the first signal.
  • a distance measuring device is a distance measuring device according to any one of the first to eighth aspects, in which the set frequency of the first single-wavelength laser light and the set frequency of the second single-wavelength laser light may be fixed during the measurement period.
  • a distance measuring device is a distance measuring device according to any one of the first to ninth aspects, wherein the light source unit further emits a third single-wavelength laser light having a third wavelength different from both the first wavelength and the second wavelength.
  • the measurement range can be further extended. Note that four or more wavelengths may be used, which can further extend the measurement range.
  • the distance measurement device may be the distance measurement device according to the tenth aspect, wherein the first single-wavelength laser light has the highest frequency stability among all the single-wavelength laser lights emitted by the light source unit.
  • a distance measuring device is a distance measuring device according to the tenth or eleventh aspect, wherein the optical unit may further detect a third light component having the third wavelength from the interference light and output a third signal according to the result of detecting the third light component, and the processing circuit may further calculate a third distance within a third range with a third accuracy based on the first signal and the third signal, and the third accuracy may be lower than the second accuracy, and the third range may be longer than the second range.
  • a distance measuring device is a distance measuring device according to any one of the first to twelfth aspects, in which the processing circuit calculates the second distance by calculating the phase of a beat wavelength of the first wavelength and the second wavelength based on the first signal and the second signal.
  • a distance measuring device is the distance measuring device according to the thirteenth aspect, in which the processing circuit may calculate the first distance by calculating the phase of the first wavelength based on the first signal, and may calculate the absolute distance from the distance measuring device to the object by combining the first distance and the second distance.
  • a distance measuring device is a distance measuring device according to any one of the first to fourteenth aspects, wherein the light source unit includes a first laser light source that emits the first single-wavelength laser light, and a second laser light source that emits the second single-wavelength laser light.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily an exact illustration. Therefore, for example, the scales of each figure do not necessarily match.
  • the same reference numerals are used for substantially the same configuration, and duplicate explanations are omitted or simplified.
  • ordinal numbers such as “first” and “second” do not refer to the number or order of components, unless otherwise specified, but are used for the purpose of avoiding confusion between and distinguishing between components of the same type.
  • Fig. 1 is a block diagram showing the configuration of a distance measurement device 1 according to the present embodiment.
  • the distance measuring device 1 shown in FIG. 1 is a device that measures the distance from the distance measuring device 1 to an object 90. Specifically, the distance measuring device 1 can obtain information indicating the surface shape of the object 90 by measuring the distance for each part of the object 90. The distance measuring device 1 can be used, for example, for visual inspection of products, etc.
  • the distance measurement device 1 includes a light source unit 10, an optical unit 20, and a processing circuit 30. Although not shown, the distance measurement device 1 may also include a support unit that supports the object 90.
  • the support unit may include a drive unit such as a motor or a piezoelectric element, and may be capable of changing the attitude and/or position of the object 90.
  • the light source unit 10 emits a plurality of single-wavelength laser beams.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the light source unit 10 of the distance measuring device 1 according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the light source unit 10 includes laser light sources 11a and 11b and a wavelength synthesis system 12.
  • Laser light sources 11a and 11b each emit a single-wavelength laser beam having a different wavelength.
  • Laser light sources 11a and 11b are, for example, semiconductor laser elements, and emit laser beams of a predetermined single wavelength when a current is supplied to them.
  • the laser light source 11a is an example of a first laser light source, and emits a laser light L1 having a wavelength ⁇ 1.
  • the wavelength ⁇ 1 is an example of a first wavelength
  • the laser light L1 is an example of a first single-wavelength laser light.
  • the wavelength combining system 12 combines the laser light L1 and L2 emitted from the two laser light sources 11a and 11b.
  • the light L emitted from the wavelength combining system 12 is coupled to an interference optical system 40.
  • the wavelength combining system 12 is, for example, a DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) element or a holographic optical element.
  • the optical unit 20 is an example of an optical unit that detects light incident on the optical unit 20 by causing it to interfere with each other, and outputs a signal according to the interference result.
  • Laser light L1 and L2 from the light source section 10 a first reflected light generated by reflection of the laser light L1 on the object 90, and a second reflected light generated by reflection of the laser light L2 on the object 90 are incident on the optical unit 20.
  • the optical unit 20 includes an interference optical system 40 and a light receiving optical system 50. The specific configurations of the interference optical system 40 and the light receiving optical system 50 will be described later with reference to FIG. 3.
  • the processing circuit 30 is a signal processing circuit that processes the signal output from the optical unit 20. Specifically, the processing circuit 30 calculates the distance from the distance measurement device 1 to the object 90. For example, the processing circuit 30 processes the signal based on the interference result output from the optical unit 20 based on a predetermined algorithm, thereby acquiring the position of the object 90 as phase information.
  • a typical phase estimation algorithm that can be used is a 4-step phase-shifting algorithm.
  • the processing circuit 30 can calculate the distance from the distance measurement device 1 to the object 90 based on the phase information.
  • the processing circuit 30 calculates a first distance within a first measurement range with a first measurement accuracy based on the interference result corresponding to wavelength ⁇ 1.
  • the processing circuit 30 also calculates a second distance within a second measurement range with a second measurement accuracy based on the interference results corresponding to wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • the processing circuit 30 calculates the distance from the distance measurement device 1 to the object 90 based on the first distance and the second distance.
  • the processing circuit 30 calculates the absolute distance from the distance measurement device 1 to the object 90.
  • the processing circuit 30 calculates the distance within a short measurement range with high measurement accuracy based on the interference results for one wavelength.
  • the processing circuit 30 calculates the distance within a long measurement range with low measurement accuracy based on the interference results for two wavelengths. The specific method of calculating the distance will be explained later.
  • the processing circuit 30 is realized by an integrated circuit such as an LSI (Large Scale Integration).
  • the processing circuit 30 may be realized by a dedicated hardware configuration to calculate the distance from the distance measuring device 1 to the object 90.
  • the processing circuit 30 may include a processor and a memory, and may calculate the distance from the distance measuring device 1 to the object 90 by having the processor execute a program stored in the memory.
  • the processing circuit 30 may include a non-volatile memory in which a program is stored, a volatile memory that is a temporary storage area for executing the program, an input/output port, a processor that executes the program, and the like.
  • the processing circuit 30 may be a programmable FPGA (Field Programmable Gate Array), or a reconfigurable processor in which the connections and settings of circuit cells in an LSI can be reconfigured.
  • Fig. 3 is a diagram showing a specific configuration of the optical unit 20 of the distance measurement device 1 according to the present embodiment.
  • the interference optical system 40 is an optical system that utilizes Michelson interference. As shown in FIG. 3, the interference optical system 40 includes a beam splitter 41 and a mirror 42.
  • Beam splitter 41 is an optical element that splits the intensity of the light incident on beam splitter 41 into multiple beams and emits each of the multiple beams in different directions.
  • Beam splitter 41 is, for example, a half mirror, and splits the light incident on beam splitter 41 into transmitted light and reflected light, each of which has the same intensity. Note that the intensity ratio between transmitted light and reflected light does not have to be 1:1.
  • the beam splitter 41 splits the laser light L1 from the light source unit 10 into a first detection light and a first reference light, and splits the laser light L2 from the light source unit 10 into a second detection light and a second reference light.
  • the first detection light and the second detection light are emitted toward the object 90.
  • the first reference light and the second reference light are emitted toward the mirror 42.
  • Mirror 42 is an example of an optical element that causes the first reference light and the second reference light from beam splitter 41 to enter the beam splitter. Specifically, mirror 42 mirror-reflects the light that enters mirror 42. The higher the reflectivity, the less light loss there is, and the higher the detection accuracy can be.
  • the beam splitter 41 transmits a part of the composite light L as transmitted light Lt and reflects the other part as reflected light Lr.
  • the transmitted light Lt includes the first detection light and the second detection light, and is irradiated onto the object 90.
  • the reflected light Lr includes the first reference light and the second reference light, and is irradiated onto the mirror 42.
  • the transmitted light Lt irradiated to the object 90 is reflected by the object 90 and re-enters the beam splitter 41.
  • a portion of the transmitted light Lt that re-enters the beam splitter 41 is reflected and travels toward the light receiving optical system 50.
  • the transmitted light Lt that re-enters the beam splitter 41 includes reflected light (i.e., first reflected light) that is generated when the first detection light, which is part of the laser light L1, is reflected by the object 90, and reflected light (i.e., second reflected light) that is generated when the second detection light, which is part of the laser light L2, is reflected by the object 90.
  • the reflected light Lr irradiated to the mirror 42 is reflected by the mirror 42 and enters the beam splitter 41 again.
  • a portion of the reflected light Lr that re-enters the beam splitter 41 is transmitted and travels toward the light receiving optical system 50.
  • the reflected light Lr that re-enters the beam splitter 41 contains the first reference light of the laser light L1 and the second reference light of the laser light L2.
  • the positions of the mirror 42 and the object 90 can be interchanged. That is, when the composite light L from the light source unit 10 is split into transmitted light Lt and reflected light Lr by the beam splitter 41, the transmitted light Lt may be irradiated onto the mirror 42, and the reflected light Lr may be irradiated onto the object 90.
  • the interference optical system 40 is not limited to an optical system that uses Michelson interference.
  • the interference optical system 40 may be an optical system that uses Fizeau interference or Mach-Zehnder interference, etc.
  • the light receiving optical system 50 is an optical system that uses homodyne interference. As shown in FIG. 3, the light receiving optical system 50 includes a dichroic mirror 51, a mirror 52, and photodetectors 53 and 54.
  • the dichroic mirror 51 is an example of a wavelength separation element that separates light incident on the dichroic mirror 51 into light of wavelength ⁇ 1 and light of wavelength ⁇ 2. Specifically, the dichroic mirror 51 separates the light incident on the light receiving optical system 50 from the beam splitter 41 into wavelengths. In this embodiment, the dichroic mirror 51 emits the light of wavelength ⁇ 1 toward the photodetector 53 and emits the light of wavelength ⁇ 2 toward the photodetector 54. In this embodiment, the mirror 52 is provided for adjusting the optical path.
  • the mirror 52 specularly reflects the light of wavelength ⁇ 2 separated by the dichroic mirror 51, causing it to be incident on the photodetector 54.
  • the mirror 52 may not be provided, and the photodetector 54 may be disposed at the position of the mirror 52.
  • the mirror 52 may be provided for the purpose of adjusting the optical path of the light of wavelength ⁇ 1 .
  • Each of the photodetectors 53 and 54 includes a photoelectric conversion element that generates an electric signal according to the intensity of the incident light.
  • the photodetector 53 is an example of a first photodetector, and is sensitive to at least the wavelength ⁇ 1 , and outputs a first signal having a signal level according to the intensity of the light by photoelectrically converting the light of the wavelength ⁇ 1 to the processing circuit 30.
  • the first signal is a signal obtained by detecting interference light between the laser light L1 reflected by the mirror 42 and the reflected light of the laser light L1 reflected by the object 90.
  • the photodetector 54 is an example of a second photodetector, which has sensitivity to at least the wavelength ⁇ 2 and performs photoelectric conversion on the light of the wavelength ⁇ 2 to output a second signal having a signal level according to its intensity to the processing circuit 30.
  • the second signal is a signal obtained by detecting interference between the laser light L2 reflected by the mirror 42 and the reflected light of the laser light L2 reflected by the object 90.
  • the configuration of the light receiving optical system 50 is not limited to the above example, as long as light can be received for each wavelength.
  • the light traveling from the beam splitter 41 toward the light receiving optical system 50 may be split into two beams in terms of intensity, and each of the two beams may then be passed through a filter having a transmission band for a specific wavelength component.
  • a bandpass filter may be used as the filter, but a lowpass filter, highpass filter, etc. may also be used.
  • the light receiving optical system 50 does not have to be an optical system that uses homodyne interference.
  • the light receiving optical system 50 may be an optical system that uses heterodyne interference.
  • the light receiving optical system 50 does not need to include a dichroic mirror 51 that splits the light into wavelengths, and the number of photodetectors may be one.
  • the distance measuring device 1 performs distance measurement based on multiwavelength interference (MWI) using multiple single-wavelength laser beams.
  • MWI multiwavelength interference
  • MWI combines the results of interference between multiple single-wavelength laser beams with different wavelengths, eliminating the trade-off between measurement range and measurement accuracy, which has traditionally been an issue, and achieving a long measurement range and high measurement accuracy.
  • the principle of multiwavelength interference is explained below.
  • a single-wavelength laser light is split by a beam splitter 41 and irradiated onto a mirror 42 that functions as a reference surface and an object 90, the distance of which is to be measured.
  • the reflected light from the mirror 42 and the object 90 is made to interfere with each other by the beam splitter 41.
  • the intensity P PD of the signal output from the photodetector 53 is expressed by the following equation (1).
  • L - L x -L y .
  • L x is the distance from the beam splitter 41 to the reflecting surface of the mirror 42.
  • L y is the distance from the beam splitter 41 to the object 90.
  • ⁇ k is the wavelength of the single-wavelength laser light.
  • k 1.
  • Both L x and ⁇ k are known values to the processing circuit 30. Therefore, the processing circuit 30 can calculate the distance L y to the object 90 based on the signal strength P PD .
  • the first measurement has the problem that the measurement range is relatively short. Below, the relationship between the position of the object 90 and the measurement range is explained using Figure 4.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the first principle of measurement using single-wavelength laser light by distance measuring device 1 according to this embodiment.
  • objects 90a, 90b, and 90c respectively represent object 90 shown in FIG. 1 and FIG. 3, which are located at different positions. When there is no need to distinguish between the positions, they will be described as "object 90".
  • a graph is shown in which the horizontal axis represents the distance to the object 90 using a predetermined position as a reference point, and the vertical axis represents the calculated distance, which is the distance calculated by the processing circuit 30.
  • the processing circuit 30 can calculate the distance to the object 90 within a predetermined length measurement range. As can be seen from formula (1), when the wavelength of the single-wavelength laser light is ⁇ 1 , the length measurement range is half the wavelength ( ⁇ 1 /2).
  • the absolute distance from the distance measuring device 1 to the object 90 cannot be calculated.
  • the objects 90a, 90b, and 90c are all calculated to be the same distance.
  • the wavelength of the single-wavelength laser light is, for example, a wavelength in the near-infrared light band or the visible light band.
  • the near-infrared light band is a wavelength band of approximately 700 nm or more and approximately 2500 nm or less.
  • the visible light band is a wavelength band of approximately 380 nm or more and approximately 780 nm or less.
  • the measurement range in the first measurement is approximately 190 nm or more and approximately 1250 nm or less. In other words, the measurement range in the first measurement is on the order of several hundred nanometers to several micrometers. In this way, the measurement range of the first measurement is relatively narrower than that of the second measurement described below.
  • the light that has interfered in the beam splitter 41 is split into wavelengths by the dichroic mirror 51 and detected by two photodetectors 53 and 54.
  • each of the photodetectors 53 and 54 outputs a signal corresponding to the result of the homodyne optical interference for the corresponding wavelength.
  • the processing circuit 30 can calculate the distance to the object 90 based on the two signals.
  • the measurement range is increased by combining the two signals.
  • the relationship between the position of the object 90 and the measurement range is explained using Figure 5.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the second measurement principle using two single-wavelength laser beams by the distance measuring device 1 according to this embodiment.
  • objects 90a, 90b, and 90c respectively represent the object 90 shown in FIG. 1 and FIG. 3, which is located at different positions. When there is no need to distinguish between the positions, they will be described as "object 90".
  • FIG. 5 two graphs are shown, with the horizontal axis representing the distance to the object 90 using a specified position as the reference point, and the vertical axis representing the calculated distance, which is the distance calculated by the processing circuit 30.
  • the upper graph is the same as the graph shown in FIG. 4, and represents the distance calculated based on the signal obtained from one of the two photodetectors 53 and 54.
  • the lower graph represents the distance calculated based on the signal obtained from the other of the two photodetectors 53 and 54.
  • the measurement range is ⁇ 1 /2 or ⁇ 2 /2, respectively, so the order of the measurement range is almost the same as in the first measurement.
  • the measurement range can be extended by combining the two graphs.
  • the distances calculated for the objects 90a, 90b, and 90c corresponding to the upper graph are almost the same.
  • the distances calculated for the objects 90a, 90b, and 90c corresponding to the lower graph are different. Therefore, by combining the two calculation results, it is possible to calculate a distance with a measurement range longer than both ⁇ 1 /2 and ⁇ 2 /2.
  • the processing circuit 30 calculates the absolute distance to the object 90 by combining the first distance obtained by the first measurement and the second distance obtained by the second measurement.
  • the measurement range in the second measurement is half the beat wavelength of the two single-wavelength laser beams.
  • the beat wavelength ⁇ 12 is expressed by the following formula (2).
  • Optical interference due to this beat wavelength ⁇ 12 enables distance measurement with a measurement range equivalent to half the beat wavelength ⁇ 12.
  • the beat wavelength ⁇ 12 is 2.4 mm and the measurement range is 1.2 mm.
  • the measurement range in the case of single wavelength interference is about 775 nm, which is on the order of nanometers, the measurement range of MWI is expanded to the order of millimeters.
  • the measurement accuracy depends on the wavelength of the single-wavelength laser light used for the measurement. Specifically, the shorter the wavelength of the single-wavelength laser light, the higher the measurement accuracy (i.e., the smaller the distance dimension), and the longer the wavelength of the single-wavelength laser light, the lower the measurement accuracy (i.e., the longer the distance dimension).
  • the measurement accuracy depends on the beat wavelength. Specifically, the shorter the beat wavelength, the higher the measurement accuracy (i.e., the smaller the distance dimension), and the longer the beat wavelength, the lower the measurement accuracy (i.e., the longer the distance dimension).
  • the second measurement Since the beat wavelength is longer than the wavelength of the single-wavelength laser light, the second measurement has lower measurement accuracy than the first measurement. That is, the measurement accuracy of the second measurement is deteriorated due to the beat wavelength ⁇ 12. In this way, the trade-off between the measurement range and the measurement accuracy is not yet resolved by only using the second measurement.
  • MWI achieves both a long measurement range and high measurement accuracy at the same time by combining the first and second measurements.
  • first measurement which has a short measurement range but high measurement accuracy
  • second measurement which has a long measurement range but low measurement accuracy
  • FIG. 6 is a diagram showing the measurement range and measurement accuracy of two measurements by the distance measuring device 1 of this embodiment.
  • the measurement accuracy in the second measurement is Am
  • the measurement range in the second measurement is Rm.
  • the measurement accuracy in the first measurement is As
  • the measurement range in the first measurement is Rs. Both the measurement range and measurement accuracy are expressed in terms of distance, so they can be compared.
  • Rm>Rs and Am>As hold. Furthermore, in this embodiment, Am ⁇ Rs holds. That is, the measurement accuracy Am of the second measurement is equal to or less than the measurement range Rs of the first measurement. This allows a unique combination of the first measurement and the second measurement, making it possible to measure distances with a higher measurement accuracy than the measurement accuracy of the second measurement.
  • the selection of the single-wavelength laser light used in the first measurement is important.
  • the stability of the frequency of the single-wavelength laser light is important for improving measurement accuracy. The relationship between frequency stability and measurement accuracy will be explained below.
  • the frequency of the single-wavelength laser light is adjusted by a control unit (not shown) so as to maintain a predetermined set value. Specifically, the frequency is kept constant by adjusting the amount of current supplied to the laser light source and/or the temperature of the laser light source. In this embodiment, the set frequency of the light source unit 10 is controlled to be fixed during the measurement period.
  • Figure 7 is a diagram for explaining the stability of the frequency of single-wavelength laser light.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the frequency of the single-wavelength laser light.
  • the wavelength ⁇ k of a single-wavelength laser light is expressed as the speed of light divided by the frequency. Since the speed of light can be considered constant, if the frequency fluctuates, the wavelength ⁇ k will also fluctuate. As can be seen from the above formula (1), if the wavelength ⁇ k fluctuates, a deviation occurs between the wavelength of the single-wavelength laser light actually used in the measurement and the calculated wavelength. This causes a variance in the calculated distance value, which deteriorates the measurement accuracy. In this way, there is a correlation between frequency fluctuation and measurement accuracy. Specifically, the smaller the fluctuation, the better the measurement accuracy.
  • the single-wavelength laser light with the smaller frequency fluctuation is used.
  • the single-wavelength laser light with the higher frequency stability is used.
  • Frequency stability is expressed as a value that has a negative correlation with the fluctuation of the frequency of the laser light over time. Specifically, the smaller the fluctuation, the higher the frequency stability, and the larger the fluctuation, the lower the frequency stability.
  • the fluctuation is represented, for example, by the standard deviation ⁇ shown in FIG. 7.
  • the standard deviation ⁇ can be calculated statistically with respect to the average value (median) of the frequency of the laser light within a finite time period.
  • the frequency fluctuation may be represented in wavelength units rather than frequency units, or may be represented in units correlated with other frequencies.
  • ⁇ 1 ⁇ 2 and the fluctuation in the frequency of the laser light L1 is smaller than the fluctuation in the frequency of the laser light L2, so that the laser light L1 with the wavelength ⁇ 1 can be used for the first measurement.
  • the laser light source 11a that emits the laser light L1 can be a distributed feedback (DFB) laser light source, which is characterized by high frequency stability, or a light source device that combines an absorption line of a gas cell and a semiconductor laser as a reference frequency.
  • DFB distributed feedback
  • the phase of each wavelength is calculated based on the signals from each of the two photodetectors 53 and 54 shown in Fig. 3, and the difference is obtained as the phase of the beat wavelength ⁇ 12.
  • the wave number N of the wavelength ⁇ 1 of the laser light L1 is determined from the quotient component when the rough distance calculated from the phase of the beat wavelength ⁇ 12 is divided by the wavelength ⁇ 1 of the laser light L1, which has little frequency fluctuation.
  • the phase ⁇ of a single wavelength is calculated based on the signal from one of the two photodetectors 53 and 54 shown in Fig. 3 (here, the photodetector 53). Based on the above results, the absolute distance x is calculated using the following formula (3).
  • the main cause of the fluctuation component of the calculated distance x is ⁇ , which is due to the frequency fluctuation of the first single-wavelength laser light. Therefore, the optimal combination of wavelengths is one in which the laser light used in the first measurement has the smallest frequency fluctuation, i.e., the laser with the highest frequency stability.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of the operation of the distance measuring device 1 according to this embodiment.
  • the processing circuit 30 identifies the laser light with the highest frequency stability, i.e., the smallest frequency fluctuation, among multiple single-wavelength laser light beams used in MWI, and reflects information indicating the identified laser light in the measurement algorithm (S10).
  • the standard deviation ⁇ which represents the frequency fluctuation, is information contained in, for example, the data sheet or specifications of the light source.
  • the processing circuit 30 can identify the laser light with the smallest frequency fluctuation.
  • the information indicating the identified laser light is input into the measurement algorithm.
  • Information on the frequency fluctuation of single-wavelength laser light can be obtained, for example, by using an optical wavelength meter to measure the temporal frequency fluctuation of all single-wavelength laser light. It is possible to evaluate it in advance and read the information before measurement, or to evaluate the frequency fluctuation in parallel with the distance measurement and identify the single-wavelength laser light with the least fluctuation in real time.
  • the processing circuit 30 acquires an interference signal for each wavelength of the multiple single-wavelength laser lights by measuring the MWI (S20). Specifically, the light source unit 10 emits multiple single-wavelength laser lights, and the photodetectors 53 and 54 each output a signal corresponding to the detected light intensity.
  • the processing circuit 30 calculates the absolute distance using an absolute distance calculation algorithm so that the accuracy of the absolute distance is determined based on the interference result of the single-wavelength laser light with the highest frequency stability (S30). Specifically, the processing circuit 30 calculates the first distance by using the interference signal of the single-wavelength laser light with the highest frequency stability, i.e., the wavelength with the smallest frequency fluctuation, in the first measurement. The processing circuit 30 also calculates the second distance by using the interference signal of the single-wavelength laser light with the smallest frequency fluctuation and the interference signal of the wavelength of the other single-wavelength laser light in the second measurement. The processing circuit 30 calculates the absolute distance from the distance measuring device 1 to the object 90 based on the first distance and the second distance.
  • the process returns to step S20 and an interference signal is acquired for each wavelength.
  • the interference signal may be acquired after changing the attitude and/or position of the object 90.
  • the distance measurement device 1 ends the measurement.
  • the distance measurement device 1 may output the measurement result to a display or the like for display.
  • FIG. 8 Note that the operation shown in FIG. 8 is just one example. Below, another example of the operation of the distance measuring device 1 will be explained with reference to FIG. 9.
  • FIG. 9 is a flowchart showing another example of the operation of the distance measuring device 1 according to this embodiment.
  • the operation shown in FIG. 9 differs from the operation shown in FIG. 8 in that after acquiring the interference signal, the processing circuit 30 corrects the interference signal (S25) before calculating the absolute distance.
  • the processing circuit 30 corrects the other interference signals based on the interference result of the laser light with the highest frequency stability, i.e., the smallest frequency fluctuation. For example, the processing circuit 30 corrects the second signal output from the photodetector 54 that detects the light of wavelength ⁇ 2 based on the first signal output from the photodetector 53 that detects the light of wavelength ⁇ 1. As an example, the processing circuit 30 estimates the fluctuation of the wavelength ⁇ 2 by comparing the intensity of the signal of wavelength ⁇ 1 with the intensity of the signal of wavelength ⁇ 2. By estimating the fluctuation of the wavelength ⁇ 2 , the wavelength value used for calculating the distance can be changed so as to approach the actual wavelength value. This makes it possible to further improve the accuracy of the calculated distance.
  • FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of a light source unit 10A of a distance measuring device according to this modified example.
  • the light source unit 10A includes three laser light sources 11a, 11b, and 11c, and a wavelength synthesis system 12.
  • the laser light sources 11a and 11b are the same as those in the embodiment, and therefore a description thereof will be omitted.
  • the laser light source 11c is, for example, a semiconductor laser element, and emits a laser light of a predetermined single wavelength when a current is supplied.
  • the laser light source 11c is an example of a third laser light source, and emits a laser light L3 having a wavelength ⁇ 3.
  • the wavelength ⁇ 3 is an example of a third wavelength
  • the laser light L3 is an example of a third single-wavelength laser light.
  • the wavelength ⁇ 3 is a wavelength different from both the wavelength ⁇ 1 and the wavelength ⁇ 2. In this embodiment, the wavelength ⁇ 3 is longer than both the wavelength ⁇ 1 and the wavelength ⁇ 2.
  • the difference between the wavelength ⁇ 3 and the wavelength ⁇ 1 may be 10 times or more the difference between the wavelength ⁇ 2 and the wavelength ⁇ 1.
  • the difference between the beat wavelength of the wavelength ⁇ 3 and the wavelength ⁇ 1 and the beat wavelength of the wavelength ⁇ 2 and the wavelength ⁇ 1 can be made large.
  • the measurement range and the measurement accuracy can be set in stages, so that the absolute distance can be measured with high accuracy.
  • the wavelength combining system 12 combines the laser beams L1, L2, and L3 emitted from the three laser light sources 11a, 11b, and 11c.
  • the light L emitted from the wavelength combining system 12 is coupled to an interference optical system 40.
  • the wavelength combining system 12 is, for example, a DWDM element or a holographic optical element.
  • the configuration of the distance measurement device according to this modification, other than the light source unit 10A, is the same as that of the distance measurement device 1 shown in Fig. 1.
  • the light receiving optical system 50 of the optical unit 20 includes a photodetector for detecting light of wavelength ⁇ 3 .
  • the light receiving optical system 50 of the optical unit 20 may detect beat light by heterodyne interference.
  • the second measurement can be performed based on at least one of the three combinations. Specifically, the second measurement can be performed with a measurement accuracy and a measurement range according to at least one of the beat wavelength ⁇ 12 due to the interference between the laser beam L1 of wavelength ⁇ 1 and the laser beam L2 of wavelength ⁇ 2 , the beat wavelength ⁇ 13 due to the interference between the laser beam L1 of wavelength ⁇ 1 and the laser beam L3 of wavelength ⁇ 3 , and the beat wavelength ⁇ 23 due to the interference between the laser beam L3 of wavelength ⁇ 3 and the laser beam L2 of wavelength ⁇ 2 .
  • the beat wavelength ⁇ 12 is expressed by the formula (2), and the beat wavelengths ⁇ 13 and ⁇ 23 are expressed by the following formulas (4) and (5), respectively.
  • the beat wavelengths ⁇ 12 and ⁇ 13 can be made to differ greatly from each other.
  • ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 are set to 1550 nm, 1551 nm, and 1600 nm, respectively.
  • the beat wavelength ⁇ 12 is approximately 2.4 mm
  • the beat wavelength ⁇ 13 is approximately 50 ⁇ m. Since ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2 , the beat wavelength ⁇ 13 is approximately equal to the beat wavelength ⁇ 23 .
  • the processing circuit 30 performs a second measurement using two of the beat wavelengths ⁇ 12 , ⁇ 13, and ⁇ 23 , and calculates the distance from the distance measurement device 1 to the object 90 by combining the second measurement result with the result of the first measurement. Specifically, the processing circuit 30 calculates the absolute distance from the distance measurement device 1 to the object 90 by combining the first distance obtained by the first measurement with two second distances obtained by the second measurement.
  • the processing circuit 30 uses the beat wavelength based on the laser light having the smallest frequency fluctuation among all the single-wavelength laser lights emitted by the light source unit 10A.
  • the frequency fluctuation of the laser light L1 is the smallest
  • beat wavelengths ⁇ 13 and ⁇ 12 are used.
  • the processing circuit 30 uses the interference result of the laser light having the smallest frequency fluctuation among all the single-wavelength laser lights emitted by the light source unit 10A.
  • the absolute distance from the probe to the object to be measured is x
  • the absolute distance x can be expressed by the following equation (6).
  • a and B are the wave numbers of the beat wavelength ⁇ 13 and the wavelength ⁇ 1 included within the absolute distance xi to the part 91 in the object 90.
  • ⁇ i corresponds to the positions of the parts 91, 92, and 93 in the object 90, and represents the phase of the interference result based on the wavelength ⁇ 1 obtained in the first measurement.
  • formula (6) corresponds to formula (3) expanded to three wavelengths.
  • the second measurement is performed with the combination that results in the longest beat wavelength.
  • the distance calculated in this second measurement is an example of a third distance calculated with a third measurement accuracy within a third measurement range. Note that the third measurement accuracy is lower than the second measurement accuracy and the first measurement accuracy.
  • the third measurement range is longer than the second measurement range and the first measurement range. Simply put, the second measurement is performed with the combination that results in the longest measurement range.
  • the processing circuit 30 identifies the phase of the beat wavelength ⁇ 12 based on the combination of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the processing circuit 30 counts the wave number A of the beat wavelength ⁇ 13 of the next second measurement based on the identified phase of the beat wavelength ⁇ 12 .
  • the wave number A of the beat wavelength ⁇ 13 is calculated using the components of the quotient obtained by dividing the distance calculated based on the beat wavelength ⁇ 12 by the beat wavelength ⁇ 13 .
  • the processing circuit 30 identifies the phase of the beat wavelength ⁇ 13 based on the combination of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 3 as the next second measurement.
  • the processing circuit 30 counts the wave number B of the wavelength ⁇ 1 of the first measurement based on the identified phase of the beat wavelength ⁇ 13.
  • the wave number B of the wavelength ⁇ 1 is calculated by dividing the distance calculated based on the beat wavelength ⁇ 13 by the wavelength ⁇ 1 .
  • the processing circuitry 30 determines the phase ⁇ 1 of the wavelength ⁇ 1 as the first measurement.
  • the processing circuitry 30 can calculate the absolute distance x i based on the wave numbers A and B and the phase ⁇ 1 of the wavelength ⁇ 1 using the above-mentioned equation (6).
  • the measurement range can be further expanded.
  • the absolute distance may be calculated using a method other than the above.
  • the excess fraction method may be used, which calculates the absolute distance by combining the phases of all wavelengths of the laser light used.
  • the processing circuit 30 calculates the absolute distance from the distance measuring device 1 to the target object 90, but this is not limiting. After calculating the first distance and the second distance, the processing circuit 30 may output these to another device. For example, the processing circuit 30 may transmit the first distance and the second distance to another computer, and have the other computer calculate the absolute distance. Alternatively, the processing circuit 30 may transmit the first distance and the second distance to a display and display them on the display, or may output them to a printer and print them on a medium such as paper. In this way, the first distance and the second distance can be presented to a user, etc., so that the user can calculate the absolute distance by hand. In this way, the processing circuit 30 does not need to calculate the absolute distance.
  • the wavelength of at least one of the two single-wavelength laser lights may be changeable.
  • the wavelength of the laser light with the larger frequency fluctuation may be swept. This allows the combination of the two wavelengths to be changed, making it possible to achieve a measurement range and measurement accuracy suitable for the target object 90.
  • the device can be made more compact than when three or more laser light sources are provided.
  • one laser beam split from a single wavelength laser beam into two, and the other laser beam with a shifted frequency may be used as the two single wavelength laser beams.
  • an acousto-optic modulator AOM can be used as a means for shifting the frequency.
  • the frequency fluctuation does not have to be the standard deviation ⁇ .
  • the frequency fluctuation may be 3 ⁇ .
  • the frequency fluctuation may be the variance ⁇ 2 of the frequency of the laser light within a finite time.
  • the frequency fluctuation may be the difference between the maximum value and the minimum value of the frequency of the laser light within a finite time.
  • the light source unit includes three or more laser light sources
  • two of the laser light sources may emit single-wavelength laser light of the same wavelength.
  • the frequency fluctuations of the two single-wavelength laser lights of the same wavelength may be the same.
  • one of the two single-wavelength laser lights of the same wavelength may be used, and in the second measurement, the other of the two single-wavelength laser lights of the same wavelength may be used.
  • the first single-wavelength laser light used in each of the first and second measurements may be laser light emitted from different laser light sources.
  • the measurement accuracy Am of the second measurement may be greater than the measurement range Rs of the first measurement. If the difference between the measurement accuracy Am of the second measurement and the measurement range Rs of the first measurement is small, and Am>Rs, it becomes possible to measure the distance with substantially the same accuracy as when Am ⁇ Rs.
  • the general or specific aspects of the present disclosure may be realized as a system, an apparatus, a method, an integrated circuit, or a computer program.
  • the present disclosure may be realized as a computer-readable non-transitory recording medium, such as an optical disk, a HDD, or a semiconductor memory, on which the computer program is stored.
  • the present disclosure may also be realized as any combination of a system, an apparatus, a method, an integrated circuit, a computer program, and a recording medium.
  • the present disclosure can be used as a distance measuring device that can achieve both a long measurement range and higher measurement accuracy, and can be used, for example, in surface shape inspection devices.

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Abstract

距離測定装置は、第１の波長を有する第１の単一波長レーザー光、及び、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の単一波長レーザー光を出射する光源部と、光学ユニットであって、光学ユニットに入射する複数の光を干渉させ、複数の光の干渉により生じた干渉光のうち、第１の波長を有する第１の光成分を検出し、第１の光成分を検出した結果に応じた第１の信号を出力し、かつ干渉光のうち、第２の波長を有する第２の光成分を検出し、第２の光成分を検出した結果に応じた第２の信号を出力する光学ユニットと、第１の信号及び第２の信号を処理する処理回路と、を備える。処理回路は、第１の信号に基づいて、第１のレンジ内の第１の距離を第１の精度で算出し、第１の信号及び第２の信号に基づいて、第２のレンジ内の第２の距離を第２の精度で算出する。第１の精度は、第２の精度より高く、第２のレンジは、第１のレンジより長い。第１の単一波長レーザー光の周波数の安定性は、第２の単一波長レーザー光の周波数の安定性より高い。

Description

距離測定装置
　本開示は、距離測定装置に関する。
　レーザー光を用いた光干渉は、非接触で物体の距離及び／又は形状を示す情報などが取得できる手段として、幅広く応用されている。その例として、Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗａｖｅ　ｒａｄａｒ（ＦＭＣＷ）方式のＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ａｎｄ　Ｒａｎｇｉｎｇ）は、ミリメートル精度の３次元計測装置として知られている。また、Ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＯＣＴ）又はＯｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｂを用いた光干渉は、マイクロメートル精度で計測できる手段として知られている。これらは、医療分野及び／又は産業分野で広く活用されている。
　また、光干渉現象をさらに高精度に制御することで、ナノメートル精度の計測が可能となる。例えば、単一波長レーザーを用いたマイケルソン干渉計は、ナノメートル単位の距離の違いを光強度として計測する１つの方法である。
　ホモダイン光干渉を代表とするナノメートル精度の光計測は、非接触にて高精度な計測が可能な一方で測長レンジが波長の半分であるサブマイクロメートル単位に制限される課題がある。このため、ナノメートル単位の構造と数十マイクロメートル単位の構造とを併せ持つサンプルの計測においては、計測が難しいケースが存在する。
　この課題を解決する方法として、２つ以上の単一波長レーザー光を用いた光干渉であるマルチ波長干渉が期待されている。マルチ波長干渉は、従来の課題である測長レンジと測長精度とのトレードオフを解消し、長い測長レンジと高い測長精度とを同時に達成することができる。
　例えば、特許文献１では、波長の異なるレーザー光の光干渉結果を組み合わせることで、従来の課題である測長レンジと測長精度とのトレードオフを解消し、長い測長レンジと高い測長精度とを達成できるとされている。
独国特許発明第１０２０１５２０９５６７号明細書
　特許文献１に開示されているようなマルチ波長干渉（ＭＷＩ）の原理を用いた距離計測装置では、互いに異なる波長を有する２つ以上の単一波長レーザー光が必要である。このとき、２つ以上の単一波長レーザー光の周波数の安定性が互いに異なる場合、距離計算時に用いる波長の組み合わせ方によって、距離の測長精度が低下する場合がある。
　そこで、本開示は、長い測長レンジと、より高い測長精度とを両立することができる距離測定装置を提供する。
　本開示の一態様に係る距離測定装置は、第１の波長を有する第１の単一波長レーザー光、及び、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の単一波長レーザー光を出射する光源部と、光学ユニットであって、前記光学ユニットに入射する複数の光を干渉させ、前記複数の光の干渉により生じた干渉光のうち、前記第１の波長を有する第１の光成分を検出し、前記第１の光成分を検出した結果に応じた第１の信号を出力し、かつ前記干渉光のうち、前記第２の波長を有する第２の光成分を検出し、前記第２の光成分を検出した結果に応じた第２の信号を出力する光学ユニットと、前記第１の信号及び前記第２の信号を処理する処理回路と、を備える。前記処理回路は、前記第１の信号に基づいて、第１のレンジ内の第１の距離を第１の精度で算出し、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて、第２のレンジ内の第２の距離を第２の精度で算出し、前記第１の精度は、前記第２の精度より高く、前記第２のレンジは、前記第１のレンジより長く、前記第１の単一波長レーザー光の周波数の安定性は、前記第２の単一波長レーザー光の周波数の安定性より高い。
　本開示によれば、長い測長レンジと、より高い測長精度とを両立することができる。
図１は、実施の形態に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態に係る距離測定装置の光源部の構成を示すブロック図である。 図３は、実施の形態に係る距離測定装置の光学ユニットの具体的な構成を示す図である。 図４は、実施の形態に係る距離測定装置による単一波長レーザー光を用いた第１の測定の原理を説明するための図である。 図５は、実施の形態に係る距離測定装置による複数の単一波長レーザー光を用いた第２の測定の原理を説明するための図である。 図６は、実施の形態に係る距離測定装置による２つの測定の測長レンジと測長精度とを示す図である。 図７は、単一波長レーザー光の周波数の安定性を説明するための図である。 図８は、実施の形態に係る距離測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図９は、実施の形態に係る距離測定装置の動作の別の一例を示すフローチャートである。 図１０は、実施の形態の変形例に係る距離測定装置の光源部の構成を示すブロック図である。
　（本開示の概要）
　まず、本明細書で用いる重要な用語の定義について以下に示す。
　「測長精度」は、距離を測定する際の正確さの度合いを表す。すなわち、測長精度は、どれだけ正確に距離情報が得られるかを判断する尺度である。このため、測長精度が高いほど、正確な測定を行えていると言える。
　「測長レンジ」は、一意な距離情報を取得することができる距離方向の範囲を表す。すなわち、測長レンジは、距離計測が可能な範囲を表している。
　本明細書では、測長精度及び測長レンジはいずれも、距離と同じ次元で表される。具体的には、測長精度の単位及び測長レンジの単位はいずれも、ナノメートル（ｎｍ）、マイクロメートル（μｍ）、ミリメートル（ｍｍ）などで表される。このため、「測長精度が高い」とは、距離の次元で表される「測長精度が短い」ことと同義である。「測長精度が低い」とは、距離の次元で表される「測長精度が長い」ことと同義である。また、本明細書では、測長精度は、単に「精度」と記載する場合がある。測長レンジは、単に「レンジ」と記載する場合がある。
　測長レンジ内での距離計測は、「絶対距離計測」と呼ばれる。例えば、精度１０ｎｍで測長レンジが１ｍｍの場合の距離計測は、１ｍｍの範囲内で１０ｎｍの違いを見分けられる絶対距離計測である。
　本開示に係る距離測定装置の複数の態様は、以下のとおりである。
　本開示の第１の態様に係る距離測定装置は、光源部と、光学ユニットと、処理回路と、を備える。光源部は、第１の波長を有する第１の単一波長レーザー光、及び、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の単一波長レーザー光を出射する。光学ユニットは、前記光学ユニットに入射する複数の光を干渉させ、前記複数の光の干渉により生じた干渉光のうち、前記第１の波長を有する第１の光成分を検出し、前記第１の光成分を検出した結果に応じた第１の信号を出力し、かつ前記干渉光のうち、前記第２の波長を有する第２の光成分を検出し、前記第２の光成分を検出した結果に応じた第２の信号を出力する。処理回路は、前記第１の信号及び前記第２の信号を処理する。前記処理回路は、前記第１の信号に基づいて、第１のレンジ内の第１の距離を第１の精度で算出し、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて、第２のレンジ内の第２の距離を第２の精度で算出する。前記第１の精度は、前記第２の精度より高い。前記第２のレンジは、前記第１のレンジより長い。前記第１の単一波長レーザー光の周波数の安定性は、前記第２の単一波長レーザー光の周波数の安定性より高い。
　これにより、周波数の安定性が高い第１の単一波長レーザー光に基づいて第１の測定を行うことができるので、長い測長レンジと、より高い測長精度とを両立することができる。また、周波数の安定性が高いレーザー光源は、一般的に高額である。本態様によれば、第１の単一波長レーザー光を出射する光源以外のレーザー光の周波数の安定性は低くてもよい。このため、例えば、第２の単一波長レーザー光を出射する光源として廉価な光源を採用することができるので、低コスト化も期待される。
　本開示の第２の態様に係る距離測定装置は、第１の態様に係る距離測定装置において、前記第２の精度は、前記第１のレンジ以下であってもよい。
　これにより、第１の測定による第１の距離と第２の測定による第２の距離とを適切に組み合わせることができるので、より高い測長精度を実現することができる。
　本開示の第３の態様に係る距離測定装置は、第２の態様に係る距離測定装置において、前記処理回路は、さらに、前記第１の距離と前記第２の距離とに基づいて、前記距離測定装置から対象物までの距離を算出してもよい。
　これにより、処理回路が、距離測定装置から対象物までの距離を算出するので、例えば、ユーザが手計算等で算出する必要がなく、ユーザの利便性が高くなる。
　本開示の第４の態様に係る距離測定装置は、第３の態様に係る距離測定装置において、前記処理回路は、前記距離測定装置から前記対象物までの絶対距離を算出してもよい。
　これにより、距離測定装置から対象物までの絶対距離を算出することができるので、距離測定装置は、例えば対象物の表面形状の検査等に有用である。
　本開示の第５の態様に係る距離測定装置は、第１の態様から第４の態様のいずれか１つに係る距離測定装置において、前記複数の光は、前記第１の単一波長レーザー光、前記第２の単一波長レーザー光、対象物において前記第１の単一波長レーザー光が反射することにより生じた第１の反射光、及び、前記対象物において前記第２の単一波長レーザー光が反射することにより生じた第２の反射光を含んでいてもよく、前記光学ユニットは、前記第１の単一波長レーザー光と前記第１の反射光とを干渉させて検出することで前記第１の信号を出力し、前記第２の単一波長レーザー光と前記第２の反射光とを干渉させて検出することで前記第２の信号を出力してもよい。
　これにより、ホモダイン干渉を利用して干渉光の強度信号を波長ごとに簡単に得ることができる。
　本開示の第６の態様に係る距離測定装置は、第５の態様に係る距離測定装置において、前記光学ユニットは、ビームスプリッタと、第１の光検出器と、第２の光検出器と、を備えてもよく、前記ビームスプリッタは、前記光源部からの前記第１の単一波長レーザー光を第１の参照光と第１の検出光とに分割し、かつ、前記光源部からの前記第２の単一波長レーザー光を第２の参照光と第２の検出光とに分割してもよく、前記第１の反射光は、前記対象物において前記第１の検出光が反射することにより生じた光であり、前記第２の反射光は、前記対象物において前記第２の検出光が反射することにより生じた光であり、前記第１の光検出器は、前記第１の参照光と前記第１の反射光とが干渉することにより生じた前記第１の光成分を検出することで、前記第１の信号を出力してもよく、前記第２の光検出器は、前記第２の参照光と前記第２の反射光とが干渉することにより生じた前記第２の光成分を検出することで、前記第２の信号を出力してもよい。
　これにより、ビームスプリッタによって干渉を起こさせ、２つの光検出器によって波長ごとの干渉信号を精度良く得ることができる。
　本開示の第７の態様に係る距離測定装置は、第６の態様に係る距離測定装置において、前記光学ユニットは、前記第１の参照光及び前記第２の参照光を前記ビームスプリッタに入射させる光学素子と、入射する光を前記第１の波長の光と前記第２の波長の光とに分離する波長分離素子と、を備えてもよく、前記ビームスプリッタは、前記対象物からの前記第１の反射光及び前記第２の反射光の各々の少なくとも一部と、前記光学素子からの前記第１の参照光及び前記第２の参照光の各々の少なくとも一部と、を前記波長分離素子に向けて出射してもよい。
　これにより、マイケルソン干渉計が構成されるので、各レーザー光の光路の構成等が容易になり、精度良く距離測定が可能になる。
　本開示の第８の態様に係る距離測定装置は、第５の態様から第７の態様のいずれか１つに係る距離測定装置において、前記処理回路は、前記第１の信号に基づいて、前記第２の信号を補正してもよい。
　これにより、第２の測定の精度を高めることができる。
　本開示の第９の態様に係る距離測定装置は、第１の態様から第８の態様のいずれか１つに係る距離測定装置において、前記第１の単一波長レーザー光の設定周波数及び前記第２の単一波長レーザー光の設定周波数は、測定期間において固定であってもよい。
　これにより、測定期間中に周波数の変動が抑制されるので、測定精度を高めることができる。
　本開示の第１０の態様に係る距離測定装置は、第１の態様から第９の態様のいずれか１つに係る距離測定装置において、前記光源部は、さらに、前記第１の波長及び前記第２の波長のいずれとも異なる第３の波長を有する第３の単一波長レーザー光を出射してもよい。
　これにより、３波長を利用することで、測長レンジをさらに長くすることができる。なお、４波長以上を利用してもよく、測長レンジをさらに長くすることができる。
　本開示の第１１の態様に係る距離測定装置は、第１０の態様に係る距離測定装置において、前記第１の単一波長レーザー光は、前記光源部が出射する全ての単一波長レーザー光のうち、最も周波数の安定性が高くてもよい。
　これにより、出射可能なレーザー光の波長の組み合わせの中で、最高精度の測定を実現することができる。
　本開示の第１２の態様に係る距離測定装置は、第１０の態様又は第１１の態様に係る距離測定装置において、前記光学ユニットは、さらに、前記干渉光のうち、前記第３の波長を有する第３の光成分を検出し、前記第３の光成分を検出した結果に応じた第３の信号を出力してもよく、前記処理回路は、さらに、前記第１の信号及び前記第３の信号に基づいて、第３のレンジ内の第３の距離を第３の精度で算出してもよく、前記第３の精度は、前記第２の精度より低くてもよく、前記第３のレンジは、前記第２のレンジより長くてもよい。
　これにより、測長レンジをさらに長くすることができる。よって、より長い測長レンジと、より高い測長精度とを両立させることができる。
　本開示の第１３の態様に係る距離測定装置は、第１の態様から第１２の態様のいずれか１つに係る距離測定装置において、前記処理回路は、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて、前記第１の波長及び前記第２の波長のビート波長の位相を算出することで、前記第２の距離を算出してもよい。
　これにより、ビート波長に基づいて、長い測長レンジでの距離の算出が可能になる。
　本開示の第１４の態様に係る距離測定装置は、第１３の態様に係る距離測定装置において、前記処理回路は、前記第１の信号に基づいて、前記第１の波長の位相を算出することで、前記第１の距離を算出してもよく、前記第１の距離と前記第２の距離とを組み合わせることで、前記距離測定装置から対象物までの絶対距離を算出してもよい。
　これにより、距離測定装置から対象物までの絶対距離を算出することができるので、距離測定装置は、例えば対象物の表面形状の検査等に有用である。
　本開示の第１５の態様に係る距離測定装置は、第１の態様から第１４の態様のいずれか１つに係る距離測定装置において、前記光源部は、前記第１の単一波長レーザー光を出射する第１のレーザー光源と、前記第２の単一波長レーザー光を出射する第２のレーザー光源と、を含んでいてもよい。
　これにより、波長ごとにレーザー光源を設けることで、簡単に複数の単一波長レーザー光を出射させることができる。
　以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
　なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　また、本明細書において、平行又は垂直などの要素間の関係性を示す用語、要素の形状を示す用語、及び、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。
　また、本明細書において、「第１」、「第２」などの序数詞は、特に断りの無い限り、構成要素の数又は順序を意味するものではなく、同種の構成要素の混同を避け、区別する目的で用いられている。
　（実施の形態）
　［１．距離測定装置の構成］
　まず、実施の形態に係る距離測定装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る距離測定装置１の構成を示すブロック図である。
　図１に示す距離測定装置１は、距離測定装置１から対象物９０までの距離を測定する装置である。具体的には、距離測定装置１は、対象物９０の部位ごとの距離を測定することにより、対象物９０の表面形状を示す情報を得ることができる。距離測定装置１は、例えば、製品等の外観検査等に利用することができる。
　図１に示すように、距離測定装置１は、光源部１０と、光学ユニット２０と、処理回路３０と、を備える。また、図示していないが、距離測定装置１は、対象物９０を支持する支持部を備えてもよい。支持部は、例えば、モーター、ピエゾ素子等の駆動部を含み、対象物９０の姿勢及び／又は位置を変更可能であってもよい。
　光源部１０は、複数の単一波長レーザー光を出射する。図２は、本実施の形態に係る距離測定装置１の光源部１０の構成を示すブロック図である。図２に示すように、光源部１０は、レーザー光源１１ａ及び１１ｂと、波長合成系１２と、を含む。
　レーザー光源１１ａ及び１１ｂはそれぞれ、互いに異なる波長の単一波長レーザー光を出射する。レーザー光源１１ａ及び１１ｂは、例えば半導体レーザー素子であり、電流が供給された場合に所定の単一波長のレーザー光を出射する。
　レーザー光源１１ａは、第１のレーザー光源の一例であり、波長λ１を有するレーザー光Ｌ１を出射する。波長λ１は、第１の波長の一例であり、レーザー光Ｌ１は、第１の単一波長レーザー光の一例である。
　レーザー光源１１ｂは、第２のレーザー光源の一例であり、波長λ２を有するレーザー光Ｌ２を出射する。波長λ２は、第２の波長の一例であり、レーザー光Ｌ２は、第２の単一波長レーザー光の一例である。波長λ２は、波長λ１とは異なる波長である。本実施の形態では、波長λ２は、波長λ１より長い。
　波長合成系１２は、２つのレーザー光源１１ａ及び１１ｂの各々から出射されたレーザー光Ｌ１及びＬ２を合波する。波長合成系１２から出射される光Ｌは、干渉光学系４０に結合される。波長合成系１２は、例えば、ＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）素子、又はホログラフィック光学素子などである。
　光学ユニット２０は、光学ユニット２０に入射する光を干渉させて検出し、干渉結果に応じた信号を出力する光学ユニットの一例である。光学ユニット２０には、光源部１０からのレーザー光Ｌ１及びＬ２と、対象物９０においてレーザー光Ｌ１が反射することにより生じた第１の反射光と、対象物９０においてレーザー光Ｌ２が反射することにより生じた第２の反射光とが入射する。図１に示すように、光学ユニット２０は、干渉光学系４０と、受光光学系５０と、を備える。干渉光学系４０及び受光光学系５０の具体的な構成は、図３を用いて後で説明する。
　処理回路３０は、光学ユニット２０から出力される信号を処理する信号処理回路である。具体的には、処理回路３０は、距離測定装置１から対象物９０までの距離を算出する。例えば、処理回路３０は、光学ユニット２０から出力される干渉結果に基づく信号を所定のアルゴリズムに基づいて処理することで、対象物９０の位置を位相情報として取得する。代表的な位相推定のアルゴリズムとして、４ステップ位相シフトアルゴリズム（４－ｓｔｅｐ　ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）などを用いることができる。処理回路３０は、位相情報に基づいて、距離測定装置１から対象物９０までの距離を算出することができる。
　具体的には、処理回路３０は、波長λ１に対応する干渉結果に基づいて、第１の測長レンジ内の第１の距離を第１の測長精度で算出する。また、処理回路３０は、波長λ１と波長λ２とに対応する干渉結果に基づいて、第２の測長レンジ内の第２の距離を第２の測長精度で算出する。処理回路３０は、第１の距離と第２の距離とに基づいて、距離測定装置１から対象物９０までの距離を算出する。処理回路３０は、距離測定装置１から対象物９０までの絶対距離を算出する。
　ここで、第１の測長精度は、第２の測長精度より高い。また、第２の測長レンジは、第１の測長レンジより長い。このため、簡単に言い換えると、処理回路３０は、１波長分の干渉結果に基づいて、短い測長レンジ内の距離を高い測長精度で算出する。処理回路３０は、２波長分の干渉結果に基づいて、長い測長レンジ内の距離を低い測長精度で算出する。具体的な距離の算出方法については、後で説明する。
　処理回路３０は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路によって実現される。例えば、処理回路３０は、専用のハードウェア構成で実現されて、距離測定装置１から対象物９０までの距離を算出してもよい。あるいは、処理回路３０は、プロセッサ及びメモリを含み、メモリに格納されたプログラムをプロセッサに実行させることで、距離測定装置１から対象物９０までの距離を算出してもよい。具体的には、処理回路３０は、プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを含んでいてもよい。あるいは、処理回路３０は、プログラム可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又は、ＬＳＩ内の回路セルの接続及び設定が再構成可能なリコンフィギュラブルプロセッサであってもよい。
　［１．１．光学ユニットの具体的な構成］
　続いて、光学ユニット２０の具体的な構成について説明する。上述したように、光学ユニット２０は、干渉光学系４０と、受光光学系５０と、を含む。以下では、それぞれの構成を、図３を用いて順に説明する。図３は、本実施の形態に係る距離測定装置１の光学ユニット２０の具体的な構成を示す図である。
　本実施の形態では、干渉光学系４０は、マイケルソン干渉を利用する光学系である。図３に示すように、干渉光学系４０は、ビームスプリッタ４１と、ミラー４２と、を備える。
　ビームスプリッタ４１は、ビームスプリッタ４１に入射する光を複数の光に強度分割して、複数の光をそれぞれ異なる方向へ出射させる光学素子である。ビームスプリッタ４１は、例えば、ハーフミラーであり、ビームスプリッタ４１に入射する光を透過光と反射光とにそれぞれ、同じ強度になるように分割する。なお、透過光と反射光との強度比率は１：１でなくてもよい。
　具体的には、ビームスプリッタ４１は、光源部１０からのレーザー光Ｌ１を第１の検出光と第１の参照光とに分割し、かつ、光源部１０からのレーザー光Ｌ２を第２の検出光と第２の参照光とに分割する。第１の検出光及び第２の検出光は、対象物９０に向けて出射される。第１の参照光及び第２の参照光は、ミラー４２に向けて出射される。
　ミラー４２は、ビームスプリッタ４１からの第１の参照光及び第２の参照光をビームスプリッタに入射させる光学素子の一例である。具体的には、ミラー４２は、ミラー４２に入射する光を鏡面反射させる。反射率が高い程、光のロスが減るため検出精度を高めることができる。
　図３に示す例では、ビームスプリッタ４１には、光源部１０からのレーザー光、すなわち、レーザー光Ｌ１及びＬ２の合成光Ｌが入射する。ビームスプリッタ４１は、合成光Ｌの一部を透過光Ｌｔとして透過させ、他の一部を反射光Ｌｒとして反射させる。透過光Ｌｔは、第１の検出光及び第２の検出光を含み、対象物９０に照射される。反射光Ｌｒは、第１の参照光及び第２の参照光を含み、ミラー４２に照射される。
　対象物９０に照射された透過光Ｌｔは、対象物９０によって反射されてビームスプリッタ４１に再び入射する。ビームスプリッタ４１に再入射する透過光Ｌｔの一部は反射されて受光光学系５０へ向かう。ビームスプリッタ４１に再入射する透過光Ｌｔは、レーザー光Ｌ１の一部である第１の検出光が、対象物９０において反射することにより生じた反射光（すなわち、第１の反射光）と、レーザー光Ｌ２の一部である第２の検出光が、対象物９０において反射することにより生じた反射光（すなわち、第２の反射光）と、を含んでいる。
　同様に、ミラー４２に照射された反射光Ｌｒは、ミラー４２によって反射されてビームスプリッタ４１に再び入射する。ビームスプリッタ４１に再入射する反射光Ｌｒの一部は透過して受光光学系５０へ向かう。ビームスプリッタ４１に再入射する反射光Ｌｒは、レーザー光Ｌ１の第１の参照光と、レーザー光Ｌ２の第２の参照光と、を含んでいる。
　なお、ミラー４２と対象物９０との配置は入れ替え可能である。すなわち、光源部１０からの合成光Ｌがビームスプリッタ４１によって透過光Ｌｔと反射光Ｌｒとに分割された場合に、透過光Ｌｔがミラー４２に照射され、反射光Ｌｒが対象物９０に照射されてもよい。
　また、干渉光学系４０は、マイケルソン干渉を利用する光学系には限定されない。干渉光学系４０は、フィゾー干渉又はマッハツェンダー干渉などを利用する光学系であってもよい。
　受光光学系５０は、ホモダイン干渉を利用する光学系である。図３に示すように、受光光学系５０は、ダイクロイックミラー５１と、ミラー５２と、光検出器５３及び５４と、を備える。
　ダイクロイックミラー５１は、ダイクロイックミラー５１に入射する光を波長λ１の光と波長λ２の光とに分離する波長分離素子の一例である。具体的には、ダイクロイックミラー５１は、ビームスプリッタ４１から受光光学系５０に入射する光を波長分離する。本実施の形態では、ダイクロイックミラー５１は、波長λ１の光を光検出器５３に向けて出射させ、波長λ２の光を光検出器５４に向けて出射させる。本実施の形態では、ミラー５２が光路調整のために設けられている。
　ミラー５２は、ダイクロイックミラー５１で分離された波長λ２の光を鏡面反射させて光検出器５４に入射させる。なお、ミラー５２が設けられずに、光検出器５４がミラー５２の位置に配置されていてもよい。あるいは、ミラー５２は、波長λ１の光の光路を調整する目的で設けられていてもよい。
　光検出器５３及び５４はそれぞれ、入射する光の強度に応じた電気信号を生成する光電変換素子を含む。光検出器５３は、第１の光検出器の一例であり、少なくとも波長λ１に感度を有し、波長λ１の光を光電変換することで、その強度に応じた信号レベルを有する第１の信号を処理回路３０に出力する。第１の信号は、ミラー４２によって反射されたレーザー光Ｌ１と対象物９０での反射によるレーザー光Ｌ１の反射光との干渉光を検出することで得られる信号である。
　光検出器５４は、第２の光検出器の一例であり、少なくとも波長λ２に感度を有し、波長λ２の光を光電変換することで、その強度に応じた信号レベルを有する第２の信号を処理回路３０に出力する。第２の信号は、ミラー４２によって反射されたレーザー光Ｌ２と対象物９０での反射によるレーザー光Ｌ２の反射光とを干渉させて検出することで得られる信号である。
　なお、波長ごとの受光ができれば、受光光学系５０の構成は上記例に限定されない。例えば、ビームスプリッタ４１から受光光学系５０に向かう光を２つの光に強度分割した後、分割後の２つの光の各々に対して、特定の波長成分に透過帯域を有するフィルタを通過させてもよい。フィルタは、例えばバンドパスフィルタが利用されるが、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタなどであってもよい。
　また、受光光学系５０は、ホモダイン干渉を利用する光学系でなくてもよい。受光光学系５０は、ヘテロダイン干渉を利用する光学系であってもよい。この場合、受光光学系５０は、光を波長分割するダイクロイックミラー５１を備えなくてもよく、光検出器の個数も１つで構わない。
　［２．距離測定の原理］
　続いて、本実施の形態に係る距離測定装置１による距離測定の原理について説明する。
　本実施の形態に係る距離測定装置１では、複数の単一波長レーザー光を用いたマルチ波長干渉（Ｍｕｌｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ：ＭＷＩ）に基づく距離測定を行う。ＭＷＩは、互いに波長の異なる複数の単一波長レーザー光の干渉結果を組み合わせることで、従来の課題である測長レンジと測長精度とのトレードオフを解消し、長い測長レンジと高い測長精度とを達成できる。以下、マルチ波長干渉の原理を説明する。
　［２．１．第１の測定（１波長を利用）］
　まず、１つの単一波長レーザー光を用いた第１の測定について説明する。
　図３を用いて上述したように、ホモダイン光干渉では、単一波長レーザー光をビームスプリッタ４１によって分岐させて、参照面として機能するミラー４２と、距離の測定対象である対象物９０とに照射する。ミラー４２及び対象物９０のそれぞれによる反射光をビームスプリッタ４１にて干渉させている。その干渉した光を光検出器５３で検出した際に光検出器５３から出力される信号の強度ＰＰＤは、以下の式（１）で表される。
　式（１）において、Ｌ－＝Ｌｘ－Ｌｙである。Ｌｘは、ビームスプリッタ４１からミラー４２の反射面までの距離である。Ｌｙは、ビームスプリッタ４１から対象物９０までの距離である。λｋは、単一波長レーザー光の波長である。ここでは、ｋ＝１である。Ｌｘ及びλｋはいずれも、処理回路３０にとって既知の値である。このため、処理回路３０は、信号強度ＰＰＤに基づいて、対象物９０までの距離Ｌｙを算出することができる。
　第１の測定では、測長レンジが相対的に短いという問題がある。以下では、図４を用いて、対象物９０の位置と測長レンジとの関係について説明する。
　図４は、本実施の形態に係る距離測定装置１による単一波長レーザー光を用いた第１の測定の原理を説明するための図である。図４において、対象物９０ａ、９０ｂ及び９０ｃはそれぞれ、図１及び図３に示した対象物９０が異なる位置に位置していることを表している。位置を区別する必要がない場合には、「対象物９０」として説明を行う。
　図４では、横軸に、所定の位置を基準点とする対象物９０までの距離を表し、縦軸に、処理回路３０が算出する距離である算出距離を表したグラフを示している。図４に示すように、処理回路３０は、所定の測長レンジ内で対象物９０までの距離を算出することができる。測長レンジは、式（１）から分かるように、単一波長レーザー光の波長をλ１とした場合、その半波長（λ１／２）になる。
　第１の測定では、測長レンジを越えた場合には、距離測定装置１から対象物９０までの絶対距離を算出することができない。例えば、図４に示す例では、対象物９０ａ、９０ｂ及び９０ｃが全て同じ距離として算出される。
　単一波長レーザー光の波長は、例えば、近赤外光帯域又は可視光帯域の波長である。近赤外光帯域は、約７００ｎｍ以上約２５００ｎｍ以下の波長帯域である。可視光帯域は、約３８０ｎｍ以上約７８０ｎｍ以下の波長帯域である。この場合、第１の測定における測長レンジは、約１９０ｎｍ以上約１２５０ｎｍ以下になる。すなわち、第１の測定における測長レンジは、数百ナノメートルオーダーから数マイクロメートルオーダーの大きさとなる。このように、第１の測定の測長レンジは、後述する第２の測定と比較して相対的に狭くなる。
　［２．２．第２の測定（２波長を利用）］
　次に、第１の測定の課題である測長レンジの短さを解決するための、互いに異なる波長を有する２つの単一波長レーザー光を利用する第２の測定について、図３及び図５を用いて説明する。
　図３に示したように、本実施の形態に係る距離測定装置１では、ビームスプリッタ４１にて干渉した光を、ダイクロイックミラー５１によって波長ごとに分光して２台の光検出器５３及び５４で検出する。この結果、光検出器５３及び５４の各々から、対応する波長ごとのホモダイン光干渉の結果に対応する信号が出力される。処理回路３０は、２つの信号に基づいて、対象物９０までの距離を算出することができる。
　第２の測定では、２つの信号を組み合わせることにより、測長レンジが長くなる。以下では、図５を用いて、対象物９０の位置と測長レンジとの関係について説明する。
　図５は、本実施の形態に係る距離測定装置１による２つの単一波長レーザー光を用いた第２の測定の原理を説明するための図である。図５において、対象物９０ａ、９０ｂ及び９０ｃはそれぞれ、図１及び図３に示した対象物９０が異なる位置に位置していることを表している。位置を区別する必要がない場合には、「対象物９０」として説明を行う。
　図５では、横軸に、所定の位置を基準点とする対象物９０までの距離を表し、縦軸に、処理回路３０が算出する距離である算出距離を表したグラフを２つ示している。２つのグラフのうち、上段のグラフは、図４に示したグラフと同じであり、２つの光検出器５３及び５４の一方から得られる信号に基づいて算出される距離を表している。２つのグラフのうちの、下段のグラフは、２つの光検出器５３及び５４の他方から得られる信号に基づいて算出される距離を表している。
　２つのグラフをそれぞれ、単独で利用するだけでは、測長レンジがそれぞれλ１／２又はλ２／２であるので、測長レンジのオーダーは、第１の測定とほとんど変わらない。第２の測定では、２つのグラフを組み合わせることにより、測長レンジを長くすることができる。
　具体的には、対象物９０ａ、９０ｂ、９０ｃのそれぞれについて、上段のグラフに対応して算出される距離は、互いにほぼ同じである。しかしながら、下段のグラフに対応して算出される距離が互いに異なっている。このため、２つの算出結果を組み合わせることにより、λ１／２及びλ２／２のいずれよりも長い測長レンジで距離を算出することができる。具体的には、処理回路３０は、第１の測定により得られる第１の距離と、第２の測定により得られる第２の距離とを組み合わせることで、対象物９０までの絶対距離を算出する。
　第２の測定における測長レンジは、２つの単一波長レーザー光のビート波長の半分になる。例えば、２つの単一波長レーザー光の波長をλ１とλ２とするとビート波長Λ１２は、以下の式（２）で表される。
　このビート波長Λ１２による光干渉により、ビート波長Λ１２の半分に相当する測長レンジでの距離測定ができる。例えば、λ１とλ２とがそれぞれ、１５５０ｎｍと１５５１ｎｍとである場合、ビート波長Λ１２は２．４ｍｍとなり、測長レンジは１．２ｍｍになる。単一波長干渉の場合の測長レンジが約７７５ｎｍでナノメートルオーダーであるのに対して、ＭＷＩの測長レンジは、ミリメートルオーダーにまで拡大する。
　［２．３　測長精度］
　続いて、第１の測定及び第２の測定の各々の測長精度について説明する。
　測長精度は、測定に利用する単一波長レーザー光の波長に依存する。具体的には、単一波長レーザー光の波長が短い程、測長精度が高くなり（すなわち、距離の次元では小さくなり）、単一波長レーザー光の波長が長い程、測長精度が低くなる（すなわち、距離の次元では長くなる）。
　第２の測定のように２つの単一波長レーザー光を利用する場合には、測長精度は、ビート波長に依存する。具体的には、ビート波長が短い程、測長精度が高くなり（すなわち、距離の次元では小さくなり）、ビート波長が長い程、測長精度が低くなる（すなわち、距離の次元では長くなる）。
　ビート波長が単一波長レーザー光の波長より長いため、第２の測定では、第１の測定に比べて測長精度が低くなる。つまり、第２の測定の測長精度が、ビート波長Λ１２に起因するために悪化する。このように、第２の測定を利用するだけでは、測長レンジと測長精度とのトレードオフはまだ解消されていない。
　このトレードオフを解消するため、ＭＷＩでは、第１の測定及び第２の測定を組み合わせることで、長い測長レンジと高い測長精度との両方を同時に達成している。すなわち、測長レンジは短いが、測長精度が高い第１の測定と、測長精度が低いが、測長レンジが長い第２の測定とを組み合わせることで、長い測長レンジと高い測長精度との両方を達成している。
　図６は、本実施の形態に係る距離測定装置１による２つの測定の測長レンジと測長精度とを示す図である。図６に示すように、第２の測定における測長精度（第２の測長精度）をＡｍとし、第２の測定における測長レンジ（第２の測長レンジ）をＲｍとする。また、第１の測定における測長精度（第１の測長精度）をＡｓとし、第１の測定における測長レンジ（第１の測長レンジ）をＲｓとする。測長レンジ及び測長精度はいずれも、距離の次元で表されるので、比較が可能である。
　上述したように、また、図６に示すように、Ｒｍ＞Ｒｓ、かつ、Ａｍ＞Ａｓが成立している。また、本実施の形態では、Ａｍ≦Ｒｓが成立している。すなわち、第２の測定の測長精度Ａｍは、第１の測定の測長レンジＲｓ以下である。これにより、第１の測定と第２の測定との組み合わせを一意に行うことができるので、第２の測定の測長精度よりも高い測長精度で距離測定が可能になる。
　ここで、より高い測長精度を実現するためには、第１の測定に利用される単一波長レーザー光の選択が重要となる。本願発明者は、鋭意検討により、測長精度の向上には、単一波長レーザー光の周波数の安定性が重要になることを見出した。以下では、周波数の安定性と測長精度との関係について説明する。
　［３．周波数の安定性と測長精度の関係］
　単一波長レーザー光の周波数は、予め定められた設定値が維持されるように、図示しない制御部によって調整される。具体的には、レーザー光源に供給する電流量、及び／又は、レーザー光源の温度を調整することによって、周波数を一定に保とうとする。本実施の形態では、光源部１０の設定周波数が測定期間において固定になるように制御される。
　しかしながら、レーザー光源の特性上、完全に周波数を一定に保つことができない。図７に示すように、単一波長レーザー光の周波数が時間変化、すなわち、揺らぐ。なお、図７は、単一波長レーザー光の周波数の安定性を説明するための図である。図７において、横軸は時間を表し、縦軸は単一波長レーザー光の周波数を表している。
　単一波長レーザー光の波長λｋは、光速÷周波数で表される。光速が一定とみなせるので、周波数が揺らいだ場合、波長λｋも揺らぐことになる。上述した式（１）から分かるように、波長λｋが揺らぐと、実際に測定に利用した単一波長レーザー光の波長と、計算上の波長とにずれが生じる。このため、算出される距離の値にばらつきが生じるため、測長精度が悪化する。このように、周波数の揺らぎと測長精度とには相関がある。具体的には、揺らぎが小さい程、測長精度が良くなる。
　したがって、高精度な測定が求められる第１の測定では、２つの単一波長レーザー光のうち、周波数の揺らぎが小さい方の単一波長レーザー光を利用する。言い換えると、２つの単一波長レーザー光のうち、周波数の安定性が高い方の単一波長レーザー光を利用する。
　なお、周波数の安定性は、時間変化に対するレーザー光の周波数の揺らぎと負の相関関係を有する値で表される。具体的には、揺らぎが小さい程、周波数の安定性は高く、揺らぎが大きい程、周波数の安定性は低い。
　揺らぎは、例えば、図７に示す標準偏差σで表される。標準偏差σは、有限の時間内における、レーザー光の周波数の平均値（中央値）に対して統計的に算出することができる。なお、周波数の揺らぎは、周波数単位ではなく、波長単位で表されてもよく、それ以外の周波数に相関を持つ単位で表されてもよい。
　本実施の形態では、λ１＜λ２であり、レーザー光Ｌ１の周波数の揺らぎは、レーザー光Ｌ２の周波数の揺らぎより小さい。このため、第１の測定には、波長λ１のレーザー光Ｌ１を利用することができる。
　なお、レーザー光Ｌ１を出射するレーザー光源１１ａとしては、周波数の安定性が高い特徴をもつＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ）レーザー光源、又は、参照周波数としてガスセルの吸収線と半導体レーザーとを組み合わせた光源装置などを用いることができる。
　［４．絶対距離の算出］
　以下では、２つの単一波長レーザー光を用いて、ＭＷＩで対象物９０までの絶対距離を算出する方法の１つの例を説明する。
　第２の測定では、図３に示した２つの光検出器５３及び５４の各々からの信号に基づいて各波長の位相を算出し、その差分をビート波長Λ１２の位相として取得している。上記ＭＷＩを行う条件を満たす場合、このビート波長Λ１２の位相から算出された粗い距離を、周波数の揺らぎが少ないレーザー光Ｌ１の波長λ１で割り算した際の商の成分から、レーザー光Ｌ１の波長λ１の波数Ｎが決定される。次に、第１の測定では、図３に示した２つの光検出器５３及び５４の一方（ここでは、光検出器５３）からの信号に基づいて、単一波長の位相φを算出する。以上の結果に基づいて、絶対距離ｘは以下の式（３）を用いて算出される。
　算出した距離ｘの揺らぎ成分の主な原因はφであり、第１の単一波長レーザー光の周波数の揺らぎに起因している。そのため、第１の測定で用いるレーザー光が最も周波数の揺らぎが小さい、すなわち、周波数の安定性が最も高いレーザーであることが、最適な波長の組み合わせ方となる。詳細については後で説明するが、波長数が３以上でも同様の手順で本開示に係る手法を適用できる。
　［５．動作（距離測定方法）］
　続いて、本実施の形態に係る距離測定装置１の動作について、図８を用いて説明する。
　図８は、本実施の形態に係る距離測定装置１の動作の一例を示すフローチャートである。
　まず、処理回路３０は、ＭＷＩで用いる複数の単一波長レーザー光のうち周波数の安定性が最も高い、すなわち、周波数の揺らぎが最も小さいレーザー光を特定して、特定したレーザー光を示す情報を測定アルゴリズムに反映する（Ｓ１０）。周波数の揺らぎを表す標準偏差σは、例えば、光源のデータシート、仕様書などに含まれる情報である。光源ごとの当該情報を読み込むことによって、処理回路３０は、周波数の揺らぎが最も小さいレーザー光を特定することができる。特定したレーザー光を示す情報を、測定アルゴリズムに入力する。
　なお、単一波長レーザー光の周波数の揺らぎの情報は、例えば光波長計を用いて時間的な周波数の揺らぎを全ての単一波長レーザー光に対して計測するなどで取得することができる。事前に評価しておき、その情報を測定前に読み込んでもよいし、距離測定と並行して周波数の揺らぎを評価しつつ、リアルタイムで、最も揺らぎの少ない単一波長レーザー光を特定してもよい。
　その後、処理回路３０は、ＭＷＩの計測により、複数の単一波長レーザー光の波長ごとの干渉信号を取得する（Ｓ２０）。具体的には、光源部１０が複数の単一波長レーザー光を出射し、光検出器５３及び５４の各々が検出される光強度に応じた信号を出力する。
　次に、処理回路３０は、周波数の安定性が最も高い単一波長レーザー光の干渉結果に基づいて絶対距離の精度が決まるように、絶対距離の算出アルゴリズムにより絶対距離を算出する（Ｓ３０）。具体的には、処理回路３０は、周波数の安定性が最も高い、すなわち、周波数の揺らぎが最も小さい単一波長レーザー光の波長の干渉信号を第１の測定に利用して第１の距離を算出する。また、処理回路３０は、当該周波数の揺らぎが最も小さい単一波長レーザー光の波長の干渉信号と、他の単一波長レーザー光の波長の干渉信号とを第２の測定に利用して第２の距離を算出する。処理回路３０は、第１の距離及び第２の距離に基づいて、距離測定装置１から対象物９０までの絶対距離を算出する。
　距離の測定を続ける場合（Ｓ４０でＮｏ）、ステップＳ２０に戻り、波長ごとの干渉信号を取得する。例えば、対象物９０の表面形状を得ることを目的とする場合は、対象物９０の姿勢及び／又は位置を変更した後に、干渉信号を取得してもよい。
　距離の測定を終了する場合（Ｓ４０でＹｅｓ）、距離測定装置１は、測定を終了する。距離測定装置１は、測定結果をディスプレイ等に出力して表示させてもよい。
　なお、図８に示した動作は一例にすぎない。以下では、距離測定装置１の別の動作例について、図９を用いて説明する。
　図９は、本実施の形態に係る距離測定装置１の動作の別の一例を示すフローチャートである。図９に示す動作では、図８に示した動作と比較して、干渉信号を取得した後、絶対距離を算出する前に、処理回路３０が干渉信号の補正（Ｓ２５）を行う点が相違する。
　具体的には、処理回路３０は、周波数の安定性が最も高い、すなわち、周波数の揺らぎが最も小さいレーザー光の干渉結果に基づいて、他の干渉信号を補正する。例えば、処理回路３０は、波長λ１の光を検出する光検出器５３から出力される第１の信号に基づいて、波長λ２の光を検出する光検出器５４から出力される第２の信号を補正する。一例として、処理回路３０は、波長λ１の信号の強度と波長λ２の信号の強度とを比較することにより、波長λ２の揺らぎを推定する。波長λ２の揺らぎを推定することで、距離の算出に利用する波長の値を実際の波長の値に近づけるように変更することができる。このため、算出される距離の精度をさらに高めることができる。
　［６．変形例］
　続いて、実施の形態の変形例について説明する。
　本変形例では、距離測定に利用する単一波長レーザー光の波長数が３つである点が、実施の形態とは主として異なる。以下では、実施の形態との相違点を中心に説明を行い、共通点の説明を省略又は簡略化する。
　図１０は、本変形例に係る距離測定装置の光源部１０Ａの構成を示すブロック図である。図１０に示すように、光源部１０Ａは、３つのレーザー光源１１ａ、１１ｂ及び１１ｃと、波長合成系１２と、を備える。レーザー光源１１ａ及び１１ｂは、実施の形態と同じであるので説明を省略する。
　レーザー光源１１ｃは、例えば半導体レーザー素子であり、電流が供給された場合に所定の単一波長のレーザー光を出射する。レーザー光源１１ｃは、第３のレーザー光源の一例であり、波長λ３を有するレーザー光Ｌ３を出射する。波長λ３は、第３の波長の一例であり、レーザー光Ｌ３は、第３の単一波長レーザー光の一例である。波長λ３は、波長λ１及び波長λ２のいずれとも異なる波長である。本実施の形態では、波長λ３は、波長λ１及び波長λ２のいずれよりも長い。このとき、例えば、波長λ３と波長λ１との差分は、波長λ２と波長λ１との差分の１０倍以上にしてもよい。２波長間の差分に大きな差を設けることにより、波長λ３及び波長λ１のビート波長と波長λ２及び波長λ１のビート波長との差を大きくすることができる。その結果、測長レンジ及び測長精度を段階的に設定することができるので、絶対距離を精度良く測定することができる。
　波長合成系１２は、３つのレーザー光源１１ａ、１１ｂ及び１１ｃの各々から出射されたレーザー光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３を合波する。波長合成系１２から出射される光Ｌは、干渉光学系４０に結合される。波長合成系１２は、例えば、ＤＷＤＭ素子、又はホログラフィック光学素子などである。
　本変形例に係る距離測定装置の光源部１０Ａ以外の構成は、図１に示した距離測定装置１の構成と同様である。光学ユニット２０の受光光学系５０は、波長λ３の光を検出するための光検出器を備える。あるいは、光学ユニット２０の受光光学系５０は、ヘテロダイン干渉によってビート光を検出してもよい。
　本変形例のように、互いに異なる波長を有する３つの単一波長レーザー光を利用できる場合、２つの単一波長レーザー光の組み合わせが３通りある。このため、３つの組み合わせのうちの少なくとも１つの組み合わせに基づいて第２の測定を行うことができる。具体的には、波長λ１のレーザー光Ｌ１と波長λ２のレーザー光Ｌ２との干渉によるビート波長Λ１２、波長λ１のレーザー光Ｌ１と波長λ３のレーザー光Ｌ３との干渉によるビート波長Λ１３、及び、波長λ３のレーザー光Ｌ３と波長λ２のレーザー光Ｌ２との干渉によるビート波長Λ２３、の少なくとも１つに応じた測長精度及び測長レンジでの第２の測定ができる。
　なお、ビート波長Λ１２は、式（２）で表される。また、ビート波長Λ１３及びΛ２３はそれぞれ、以下の式（４）及び（５）で表される。
　本変形例では、λ１＜λ２＜λ３を満たしている。また、｜λ１－λ３｜が｜λ１－λ２｜よりも十分大きくなるように設定される。簡単に言えば、λ１≒λ２とする。この結果、ビート波長Λ１２とビート波長Λ１３とを大きく異ならせることができる。例えば、λ１、λ２、λ３をそれぞれ、１５５０ｎｍ、１５５１ｎｍ、１６００ｎｍとする。このとき、式（２）及び（４）から、ビート波長Λ１２は、約２．４ｍｍになり、ビート波長Λ１３は、約５０μｍになる。なお、λ１≒λ２であるから、ビート波長Λ１３はビート波長Λ２３にほぼ等しくなる。
　本変形例に係る処理回路３０は、ビート波長Λ１２、Λ１３及びΛ２３のうちの２つを利用して第２の測定を行い、第１の測定の結果と組み合わせることで、距離測定装置１から対象物９０までの距離を算出する。具体的には、処理回路３０は、第１の測定により得られる第１の距離と、第２の測定により得られる２つの第２の距離とを組み合わせることで、距離測定装置１から対象物９０までの絶対距離を算出する。
　処理回路３０は、光源部１０Ａが出射する全ての単一波長レーザー光のうち、最も周波数の揺らぎが最も小さいレーザー光に基づくビート波長を利用する。ここでは、レーザー光Ｌ１の周波数の揺らぎが最も小さいので、ビート波長Λ１３とビート波長Λ１２とを利用する。また、第１の測定においても、処理回路３０は、光源部１０Ａが出射する全ての単一波長レーザー光のうち、最も周波数の揺らぎが最も小さいレーザー光の干渉結果を利用する。
　ここで、プローブから測定対象物までの絶対距離をｘとおくと、絶対距離ｘは以下の式（６）で表される。
　（６）　ｘ＝（Ａ×Λ１３＋Ｂ×λ１＋θｉ×λ１）／２
　Ａ及びＢはそれぞれ、対象物９０における部位９１までの絶対距離ｘｉ内に含まれるビート波長Λ１３及び波長λ１の波数である。また、θｉは、対象物９０における部位９１、９２、９３の各々の位置に対応し、第１の測定で得られる波長λ１に基づく干渉結果の位相を表す。なお、式（６）は、式（３）を３波長に拡張したものに相当する。
　最もビート波長が長くなる組み合わせで第２の測定が行われる。この第２の測定で算出される距離は、第３の測長レンジ内の第３の測長精度で算出される第３の距離の一例である。なお、第３の測長精度は、第２の測長精度及び第１の測長精度より低い。第３の測長レンジは、第２の測長レンジ及び第１の測長レンジより長い。簡単に言えば、最も測長レンジが長くなる組み合わせで第２の測定が行われる。
　ここでは、処理回路３０は、波長λ１と波長λ２との組み合わせに基づき、ビート波長Λ１２の位相を特定する。処理回路３０は、特定したビート波長Λ１２の位相に基づいて、次の第２の測定のビート波長Λ１３の波数Ａをカウントする。具体的には、ビート波長Λ１２に基づいて算出した距離を、ビート波長Λ１３で割り算した商の成分を用いて、ビート波長Λ１３の波数Ａを算出する。
　さらに、処理回路３０は、次の第２の測定として、波長λ１と波長λ３との組み合わせに基づき、ビート波長Λ１３の位相を特定する。処理回路３０は、特定したビート波長Λ１３の位相に基づいて、第１の測定の波長λ１の波数Ｂをカウントする。具体的には、ビート波長Λ１３に基づいて算出した距離を、波長λ１で割ることにより、波長λ１の波数Ｂを算出する。
　最後に、処理回路３０は、第１の測定として、波長λ１の位相θ１を特定する。処理回路３０は、波数Ａ及びＢと、波長λ１の位相θ１とに基づいて、上述した式（６）によって絶対距離ｘｉを算出することができる。
　以上のように、複数のビート波長を利用して複数の第２の測定を行うことによって、測長レンジをさらに拡大することができる。
　なお、上記の以外の方式により、絶対距離の算出が行われてもよい。例えば、用いるレーザー光の全波長の位相の組み合わせにより絶対距離の算出を行うＥｘｃｅｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ法が用いられてもよい。
　（他の実施の形態）
　以上、１つ又は複数の態様に係る距離測定装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、及び、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
　例えば、上記の実施の形態及び変形例では、処理回路３０が、距離測定装置１から対象物９０までの絶対距離を算出する例を示したが、これに限らない。処理回路３０は、第１の距離及び第２の距離を算出した後、これらを他の機器に出力してもよい。例えば、処理回路３０は、第１の距離及び第２の距離を他のコンピュータに送信し、当該他のコンピュータによって絶対距離を算出させてもよい。あるいは、処理回路３０は、第１の距離及び第２の距離をディスプレイに送信してディスプレイに表示させてもよく、あるいは、プリンタに出力して紙などの媒体に印刷させてもよい。これにより、第１の距離及び第２の距離をユーザ等に提示することができるので、ユーザは手計算で絶対距離を算出することができる。このように、処理回路３０は、絶対距離の算出を行わなくてもよい。
　また、２つの単一波長レーザー光の少なくとも一方の波長を変更可能であってもよい。例えば、周波数の揺らぎが大きい方のレーザー光の波長が掃引できてもよい。これにより、２つの波長の組み合わせを変更できるので、対象物９０に適した測長レンジ及び測長精度を実現することができる。また、３つ以上のレーザー光源を備える場合に比べて、装置の小型化を実現することができる。
　また、１つの単一波長レーザー光を２つに分岐させた一方のレーザー光と、他方の光の周波数をシフトさせたレーザー光とを２つの単一波長レーザー光として利用してもよい。周波数をシフトさせる手段としては、例えば、音響光学素子（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が利用可能である。
　また、周波数の揺らぎは、標準偏差σでなくてもよい。例えば、周波数の揺らぎは、３σであってもよい。あるいは、周波数の揺らぎは、有限の時間内におけるレーザー光の周波数の分散σ２であってもよい。また、周波数の揺らぎは、有限の時間内におけるレーザー光の周波数の最大値と最小値との差分であってもよい。
　また、光源部は、３つ以上のレーザー光源を備える場合において、そのうちの２つのレーザー光源は、同じ波長の単一波長レーザー光を出射してもよい。また、この同一波長の２つの単一波長レーザー光の周波数の揺らぎは同じであってもよい。第１の測定では、同一波長の２つの単一波長レーザー光のうちの一方を利用し、第２の測定では、同一波長の２つの単一波長レーザー光のうちの他方を利用してもよい。言い換えると、第１の測定及び第２の測定の各々で利用される第１の単一波長レーザー光とは、異なるレーザー光源から出射されるレーザー光であってもよい。
　また、第２の測定の測長精度Ａｍは、第１の測定の測長レンジＲｓより大きくてもよい。第２の測定の測長精度Ａｍと第１の測定の測長レンジＲｓとの差分が僅かで、Ａｍ＞Ｒｓの場合、Ａｍ≦Ｒｓの場合と実質的に同等程度の精度で距離の測定が可能になる。
　また、本開示の全般的又は具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路又はコンピュータプログラムで実現されてもよい。あるいは、当該コンピュータプログラムが記憶された光学ディスク、ＨＤＤ若しくは半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体で実現されてもよい。また、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
　また、上記の各実施の形態は、請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
　本開示は、長い測長レンジと、より高い測長精度とを両立することができる距離測定装置として利用でき、例えば、表面形状の検査装置などに利用することができる。
１　距離測定装置
１０、１０Ａ　光源部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ　レーザー光源
１２　波長合成系
２０　光学ユニット
３０　処理回路
４０　干渉光学系
４１　ビームスプリッタ
４２、５２　ミラー
５０　受光光学系
５１　ダイクロイックミラー
５３、５４　光検出器
９０、９０ａ、９０ｂ、９０ｃ　対象物

Claims (15)

  1. 　第１の波長を有する第１の単一波長レーザー光、及び、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の単一波長レーザー光を出射する光源部と、
    　光学ユニットであって、
    　　前記光学ユニットに入射する複数の光を干渉させ、
    　　前記複数の光の干渉により生じた干渉光のうち、前記第１の波長を有する第１の光成分を検出し、前記第１の光成分を検出した結果に応じた第１の信号を出力し、かつ
    　　前記干渉光のうち、前記第２の波長を有する第２の光成分を検出し、前記第２の光成分を検出した結果に応じた第２の信号を出力する、光学ユニットと、
    　前記第１の信号及び前記第２の信号を処理する処理回路と、を備え、
    　前記処理回路は、
    　　前記第１の信号に基づいて、第１のレンジ内の第１の距離を第１の精度で算出し、
    　　前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて、第２のレンジ内の第２の距離を第２の精度で算出し、
    　前記第１の精度は、前記第２の精度より高く、
    　前記第２のレンジは、前記第１のレンジより長く、
    　前記第１の単一波長レーザー光の周波数の安定性は、前記第２の単一波長レーザー光の周波数の安定性より高い、
    　距離測定装置。
  2. 　前記第２の精度は、前記第１のレンジ以下である、
    　請求項１に記載の距離測定装置。
  3. 　前記処理回路は、さらに、前記第１の距離と前記第２の距離とに基づいて、前記距離測定装置から対象物までの距離を算出する、
    　請求項２に記載の距離測定装置。
  4. 　前記処理回路は、前記距離測定装置から前記対象物までの絶対距離を算出する、
    　請求項３に記載の距離測定装置。
  5. 　前記複数の光は、前記第１の単一波長レーザー光、前記第２の単一波長レーザー光、対象物において前記第１の単一波長レーザー光が反射することにより生じた第１の反射光、及び、前記対象物において前記第２の単一波長レーザー光が反射することにより生じた第２の反射光を含み、
    　前記光学ユニットは、
    　　前記第１の単一波長レーザー光と前記第１の反射光とを干渉させて検出することで前記第１の信号を出力し、
    　　前記第２の単一波長レーザー光と前記第２の反射光とを干渉させて検出することで前記第２の信号を出力する、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  6. 　前記光学ユニットは、ビームスプリッタと、第１の光検出器と、第２の光検出器と、を備え、
    　前記ビームスプリッタは、前記光源部からの前記第１の単一波長レーザー光を第１の参照光と第１の検出光とに分割し、かつ、前記光源部からの前記第２の単一波長レーザー光を第２の参照光と第２の検出光とに分割し、
    　前記第１の反射光は、前記対象物において前記第１の検出光が反射することにより生じた光であり、
    　前記第２の反射光は、前記対象物において前記第２の検出光が反射することにより生じた光であり、
    　前記第１の光検出器は、前記第１の参照光と前記第１の反射光とが干渉することにより生じた前記第１の光成分を検出することで、前記第１の信号を出力し、
    　前記第２の光検出器は、前記第２の参照光と前記第２の反射光とが干渉することにより生じた前記第２の光成分を検出することで、前記第２の信号を出力する、
    　請求項５に記載の距離測定装置。
  7. 　前記光学ユニットは、
    　　前記第１の参照光及び前記第２の参照光を前記ビームスプリッタに入射させる光学素子と、
    　　入射する光を前記第１の波長の光と前記第２の波長の光とに分離する波長分離素子と、を備え、
    　前記ビームスプリッタは、前記対象物からの前記第１の反射光及び前記第２の反射光の各々の少なくとも一部と、前記光学素子からの前記第１の参照光及び前記第２の参照光の各々の少なくとも一部と、を前記波長分離素子に向けて出射する、
    　請求項６に記載の距離測定装置。
  8. 　前記処理回路は、前記第１の信号に基づいて、前記第２の信号を補正する、
    　請求項５に記載の距離測定装置。
  9. 　前記第１の単一波長レーザー光の設定周波数及び前記第２の単一波長レーザー光の設定周波数は、測定期間において固定である、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  10. 　前記光源部は、さらに、前記第１の波長及び前記第２の波長のいずれとも異なる第３の波長を有する第３の単一波長レーザー光を出射する、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  11. 　前記第１の単一波長レーザー光は、前記光源部が出射する全ての単一波長レーザー光のうち、最も周波数の安定性が高い、
    　請求項１０に記載の距離測定装置。
  12. 　前記光学ユニットは、
    　　さらに、前記干渉光のうち、前記第３の波長を有する第３の光成分を検出し、前記第３の光成分を検出した結果に応じた第３の信号を出力し、
    　前記処理回路は、
    　　さらに、前記第１の信号及び前記第３の信号に基づいて、第３のレンジ内の第３の距離を第３の精度で算出し、
    　前記第３の精度は、前記第２の精度より低く、
    　前記第３のレンジは、前記第２のレンジより長い、
    　請求項１０に記載の距離測定装置。
  13. 　前記処理回路は、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて、前記第１の波長及び前記第２の波長のビート波長の位相を算出することで、前記第２の距離を算出する、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  14. 　前記処理回路は、
    　前記第１の信号に基づいて、前記第１の波長の位相を算出することで、前記第１の距離を算出し、
    　前記第１の距離と前記第２の距離とを組み合わせることで、前記距離測定装置から対象物までの絶対距離を算出する、
    　請求項１３に記載の距離測定装置。
  15. 　前記光源部は、
    　　前記第１の単一波長レーザー光を出射する第１のレーザー光源と、
    　　前記第２の単一波長レーザー光を出射する第２のレーザー光源と、を含む、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
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