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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022128271
(43)【公開日】2022-09-01
(54)【発明の名称】低相対位相雑音光コム発生装置
(51)【国際特許分類】
G02F 1/01 20060101AFI20220825BHJP
【ＦＩ】
G02F1/01 B
【審査請求】有
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021026718
(22)【出願日】2021-02-22
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2021-11-24
(71)【出願人】
【識別番号】503249810
【氏名又は名称】株式会社ＸＴＩＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100067736
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 晃
(74)【代理人】
【識別番号】100192212
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 貴明
(74)【代理人】
【識別番号】100200001
【弁理士】
【氏名又は名称】北原 明彦
(72)【発明者】
【氏名】今井 一宏
(72)【発明者】
【氏名】興梠 元伸
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA21
2K102BA19
2K102BB03
2K102BC04
2K102BD09
2K102CA00
2K102EA02
2K102EA22
(57)【要約】 （修正有）
【課題】光コムの干渉信号の繰り返し周波数が安定化された低相対位相雑音光コム発生装置を提供する。
【解決手段】基準発振器１１により与えられる基準周波数信号ＦＲＥＦに位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する少なくとも３つの発振器１３，１３Ａ，１３Ｂと、上記３つの発振器の内の１の発振器１３により得られる周波数信号と、上記１の発振器以外の各発振器１３Ａ，１３Ｂにより得られる各周波数信号が入力される少なくとも２つの周波数変換器１４Ａ，１４Ｂを備え、上記少なくとも２つの周波数変換器１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ上記１の発振器の周波数信号と該の波数信号よりも位相雑音の小さい他の発振器の周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号として相対位相雑音を低減した少なくとも２種類の変調信号を少なくとも２つの光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに駆動信号として供給する。
【選択図】図１
【解決手段】基準発振器１１により与えられる基準周波数信号ＦＲＥＦに位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する少なくとも３つの発振器１３，１３Ａ，１３Ｂと、上記３つの発振器の内の１の発振器１３により得られる周波数信号と、上記１の発振器以外の各発振器１３Ａ，１３Ｂにより得られる各周波数信号が入力される少なくとも２つの周波数変換器１４Ａ，１４Ｂを備え、上記少なくとも２つの周波数変換器１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ上記１の発振器の周波数信号と該の波数信号よりも位相雑音の小さい他の発振器の周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号として相対位相雑音を低減した少なくとも２種類の変調信号を少なくとも２つの光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに駆動信号として供給する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに周波数の異なる周波数信号を発生する少なくとも３つの発振器と、
上記３つの発振器の内の１の発振器により得られる周波数信号と、上記１の発振器以外の各発振器により得られる各周波数信号が入力される少なくとも２つの周波数変換器と、
上記少なくとも２つの周波数変換器により周波数変換された互いに周波数の異なる少なくとも２種類の変調信号が供給される少なくとも２つの光コム発生器と
を備え、
上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ上記１の発振器による周波数信号と他の発振器による周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号として相対位相雑音を低減した上記少なくとも２種類の変調信号を駆動信号として少なくとも２つの光コム発生器に供給することを特徴とする低相対位相雑音光コム発生装置。
上記３つの発振器の内の１の発振器により得られる周波数信号と、上記１の発振器以外の各発振器により得られる各周波数信号が入力される少なくとも２つの周波数変換器と、
上記少なくとも２つの周波数変換器により周波数変換された互いに周波数の異なる少なくとも２種類の変調信号が供給される少なくとも２つの光コム発生器と
を備え、
上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ上記１の発振器による周波数信号と他の発振器による周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号として相対位相雑音を低減した上記少なくとも２種類の変調信号を駆動信号として少なくとも２つの光コム発生器に供給することを特徴とする低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項2】
上記少なくとも３つの発振器の内の上記１の発振器以外の各発振器は、上記１の発振器よりも位相雑音が小さいものであることを特徴する請求項１に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項3】
上記少なくとも３つの発振器は、基準発振器により与えられる基準周波数信号に位相同期された互いに周波数の異なる周波数信号を発生することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項4】
上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ周波数混合器であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項5】
上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ周波数混合器と位相比較器と電圧制御型発振器からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項6】
上記少なくとも２つの光コム発生器には、上記少なくとも２つの周波数変換器から変調信号がそれぞれ帯域通過フィルタを介して駆動信号として供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項7】
上記少なくとも２つの周波数変換器には、上記１の発振器により得られる周波数信号がそれぞれアイソレータを介して入力されることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項8】
上記少なくとも３つの発振器は、それぞれＰＬＬ回路により基準の周波数信号に位相同期された周波数が固定された状態の少なくとも３種類の変調信号を発生することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項9】
上記少なくとも３つの発振器の内の上記１の発振器以外の各発振器は、上記基準周波数信号に位相同期されたクロックにより駆動される各ディジタル直接合成発振器（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）であることを特徴とする請求項３乃至請求項７の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項10】
上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する３つの発振器と、２つの周波数変換器と、２つの光コム発生器を備え、
上記２つの周波数変換器により得られる相対位相雑音を低減した２種類の変調信号を駆動信号として上記２つの光コム発生器に供給することを特徴とする請求項３乃至請求項９の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
上記２つの周波数変換器により得られる相対位相雑音を低減した２種類の変調信号を駆動信号として上記２つの光コム発生器に供給することを特徴とする請求項３乃至請求項９の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項11】
Ｘを１以上の整数、Ｙを２以上の整数として、
上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する（Ｘ＋Ｙ）個の発振器と、ＸY個の周波数変換器と、Ｙ個の光コム発生器を備え、
（Ｙ＋１）個の発振器とＹ個の周波数変換器とＹ個の光コム発生器とで構成される基本構成をＸ重化してなることを特徴とることを特徴とする請求項３に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する（Ｘ＋Ｙ）個の発振器と、ＸY個の周波数変換器と、Ｙ個の光コム発生器を備え、
（Ｙ＋１）個の発振器とＹ個の周波数変換器とＹ個の光コム発生器とで構成される基本構成をＸ重化してなることを特徴とることを特徴とする請求項３に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、測定光の干渉信号と基準光の干渉信号の時間差から距離を測定する光コム距離計などに用いられる２つ以上の光コムを発生する低相対位相雑音光コム発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザ光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザ光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される。また、例えば、半導体レーザの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を半導体レーザ素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。
【0003】
ある点から測定点までの絶対距離を高精度で測定する装置としてレーザ距離計が知られている。
【0004】
従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しく、高い分解能を得るためにはレーザ変位計のように原点復帰が必要なため絶対距離測定に適さない方法しか手段がなかった。
【0005】
本件発明者等は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光と測定光をパルス出射する２つの光コム発生器を備え、基準面に照射される基準光パルスと測定面に照射される測定光パルスとの干渉光を基準光検出器により検出するとともに、上記基準面により反射された基準光パルスと上記測定面により反射された測定光パルスとの干渉光を測定光検出器により検出して、上記基準光検出器と測定光検出器により得られる２つ干渉信号の時間差から、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を先に提案している（例えば、特許文献１参照）。
【0006】
また、低反射材から高反射材まで連続的に反射光レベルのダイナミックレンジの広い計測を行うことが可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を先に提案している（例えば、特許文献２参照）。
【0007】
光コム距離計では、原理的に周波数が異なる２種類の変調信号により駆動される２つの光コム発生器からパルス出射される干渉性のある基準光パルスと測定光パルスを用いることにより、信号処理部において、基準光検出器により得られる干渉信号（以下、参照信号と言う。）と、測定光検出器により得られる干渉信号（以下、測定信号と言う。）について周波数解析を行い、光コムの中心周波数から数えたモード番号をＮとして、参照信号と測定信号のＮ次モード同士の位相差を計算して光コム発生器から基準点までの光コム生成、伝送過程の光位相差を相殺した後、周波数軸で次数１あたりの位相差の増分を計算して測定信号パルスと参照信号パルスの位相差を求めることにより、基準点から測定面までの距離を算出する。
【0008】
特許文献１に記載されているように、光コム距離計における２台の光コム発生器の駆動信号源である周波数ｆｍ及び周波数ｆｍ＋Δｆの信号の相対的安定性を確保するには、パルスの繰り返し周波数を相対的に固定することが重要である。
【0009】
さらに、光コム距離計において、周波数ｆｍ及び周波数ｆｍ＋Δfの周波数差による周期的な位相回転や測定光パルスが測定区間を往復することによる位相の遅延以外に付加される位相ゆらぎまたは位相雑音があると計測結果のばらつきの元となる。干渉信号は参照信号、測定信号ともに1／Δfの周期で発生する。参照信号の発生時刻を基準に測定信号の遅延時間または位相を計算する処理によってΔfより十分低い周波数の（1/Δfより長い周期の）位相ゆらぎ、位相雑音はある程度取り除かれる。しかしΔfの逆数の周期より短い期間で変化する位相揺らぎについては補正手段がなく、そのまま計測結果のばらつきとして現れる。計測時間の最短時間であるΔfの一周期の計測値のばらつきを小さくするためには短期的なｆｍとｆｍ+Δｆの相対位相の安定性が要求される。
【0010】
２つの光コム発生器を駆動する変調信号は、例えばＰＬＬ（Phase-Locked Loop）により周波数を設定できるようにした変調信号発生器により得ることができる。
【0011】
しかし、同じ基準発振器を用いても、低い周波数の基準信号の周波数を例えばＰＬＬによりマイクロ波帯の駆動周波数までに上げる際に位相のジッタが累積される可能性があるため短期的には相対位相にジッタが含まれる可能性がある。その場合、短時間で計測した場合の測定精度が低下する。したがって計測時間を短縮するためには、位相同期ループの帯域を広くとった対の発振器が必要である。
【0012】
また、光コム距離計では、信号処理部において、ピーク検出回路を用いて信号のピークの時間差を求めるか、信号を高速フーリエ変換して周波数と位相の関係を求めてもよく、信号の繰り返しが早いので短時間に距離測定を行うことができる。
【0013】
特許文献２の開示技術では、低利得の第２の干渉信号または高利得の第２の干渉信号の値のヒルベルト変換により元の波形の直交位相成分を求め、元の波形とヒルベルト変換波形の二乗和により得られる包絡線の二乗波形のピーク値から求められる。
【0014】
これは特許文献１、特許文献２の形状計測器、距離計において干渉波形の包絡線ピークを求めることが重要となることを意味している。包絡線ピークは、特許文献１の図２に示されているように、基準パルス列と測定光パルス列の重なりで決まる。基準パルス列と測定光パルス列のそれぞれのジッタはｆｍとｆｍ+Δｆの信号の位相残音で決まるため、ｆｍとｆｍ+Δｆの光コムの干渉信号の包絡線ピークのジッタはｆｍとｆｍ+Δｆの光コムの駆動信号の相対位相雑音によってきまる。
【0015】
【0016】
発振器１０３Ａ，１０３Ｂは、共通の基準発振器１０４に位相同期されている。通常、基準発振器１０４には１０ＭＨｚのＯＣＸＯ、あるいはルビジウム原子発振器やセシウム原子発振器に同期した１０ＭＨｚのＯＣＸＯを使用する。測定距離や必要な精度によって基準周波数の絶対周波数の確度は必要に応じて選択される。光コム発生器１２０Ａ、１２０Ｂは周期性を持つ駆動信号を生成する発振器１０３Ａ，１０３Ｂの信号がゼロを交差する際に光パルス列を発生する装置と考えてよく、それぞれのパルスのジッタは発振器１０３Ａ，１０３Ｂの位相雑音で決まる。
【0017】
この図９は、特許文献１の図８の波形例を引用して、それぞれの包絡線のピーク時間をｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・，ｔｎとしている。２つの光コム発生器１２０Ａ、１２０Ｂは、駆動信号の周波数がそれぞれｆｍ＋Δｆ及びｆｍであるため、干渉波形の包絡線ピークは駆動信号の差周波数がΔｆに同期し、包絡線ピーク間隔Ｔｂ＝１／Δｆである。
【0018】
干渉波形の包絡線ピークの時間は、特許文献１の段落［００４５］～で言及されているように光コム発生器１２０Ａ、１２０Ｂが出力する光パルスが一致したタイミングでピークとなるので、光コム発生器１２０Ａ，１２０Ｂを駆動する２つの発振器１０３Ａ，１０３Ｂの相対位相雑音に依存するジッタがある。
【0019】
光コム干渉を使う距離計並びに光学的三次元形状測定機は参照信号の包絡線ピークを基準に測定信号の包絡線ピークまでの時間から対象物体までの距離を求める。その計測精度は包絡線ピーク値のジッタ（周期性からのずれ量のｔｎ－ｎＴｂのジッタ）のＲＭＳ値によって代表される、２つの発振器１０３Ａ，１０３Ｂの相対位相雑音によって決まる。２つの発振器１０３Ａ，１０３Ｂの位相雑音をそれぞれφＡ（ｔ），φＢ（ｔ）とすると、包絡線ピーク値のジッタ（周期性からのずれ量のｔｎ－ｎＴｂのジッタ）のＲＭＳ値は、次の式（１）で示される。
Ｔｂ√（＜（φＢ（ｔ）－φＡ（ｔ））２＞）／２π （１）
ここで＜＞は時間平均である。
Ｔｂ√（＜（φＢ（ｔ）－φＡ（ｔ））２＞）／２π （１）
ここで＜＞は時間平均である。
【0020】
ここで、基準発振器１０４を無雑音の理想発振器を仮定しても、位相同期の位相比較器の雑音限界と位相同期の制御帯域に限界があるため無相関の位相雑音があり、２つの発振器１０３Ａ，１０３Ｂの位相雑音をそれぞれφＡ（ｔ）及びφＢ（ｔ）とすると、ｔｎ－ｎＴｂのジッタのＲＭＳ値は、φＡ（ｔ）及びφＢ（ｔ）が互いに無相関であるので、次の式（２）となる。
Ｔｂ√（＜（φＢ（ｔ）－φＡ（ｔ））２＞）／２π
＝Ｔｂ√（＜φＢ（ｔ）２＞＋＜φＡ（ｔ）２＞－２＜φＢ（ｔ）φＡ（ｔ）＞）／２π
＝Ｔｂ√（＜φＢ（ｔ）２＞＋＜φＡ（ｔ）２＞）／２π （２）
Ｔｂ√（＜（φＢ（ｔ）－φＡ（ｔ））２＞）／２π
＝Ｔｂ√（＜φＢ（ｔ）２＞＋＜φＡ（ｔ）２＞－２＜φＢ（ｔ）φＡ（ｔ）＞）／２π
＝Ｔｂ√（＜φＢ（ｔ）２＞＋＜φＡ（ｔ）２＞）／２π （２）
【0021】
ここで、典型的な発振器の位相雑音の例として、Ｕｌｔｒａ Ｈｅｒｌｅｙ 社製のＵｌｔｒａ Ｈｅｒｌｅｙ Ｓｅｒｉｅｓ ＰＣＲＯ、Ｕｌｔｒａ Ｈｅｒｌｅｙ Ｓｅｒｉｅｓ ＰＤＲＯ、Ｕｌｔｒａ Ｈｅｒｌｅｙ Ｓｅｒｉｅｓ ＰＸＳについて、非特許文献１のデータを引用してプロットした各発振器の位相雑音特性を図１０に示す。これは高性能のシステムを設計する際には、位相ノイズが極めて小さい発振器が選択されるが、この製品は位相ノイズが極めて小さい発振器である。
【0022】
ｆｍ＝２５ＧＨｚとすると、発振器１０３Ａ、１０３Ｂの位相雑音は、図１０に示す２６ＧＨｚ発振器（Ｕｌｔｒａ Ｈｅｒｌｅｙ Ｓｅｒｉｅｓ ＰＣＲＯ）の位相雑音相当である。この位相雑音は、少なくとも１００ｋＨｚまで－１１０ｄＢｃ／Ｈｚ以上である。それぞれ無相関であるとするとｆｍとｆｍ＋Δｆｍの相対位相雑音はＰＣＲＯの特性として示される約＋３ｄＢ程度と考えられる。
【0023】
位相差の位相雑音のＲＭＳ値は、次の式（３）に示すように、１００ｋＨｚまでの位相雑音の積算だけ考えて計算しても、－５７ｄＢｃとなる。
－１１０ｄＢｃ／Ｈｚ＋３ｄＢ＋１０Ｌｏｇ１０（１００ｋＨｚ）
＝－５７ｄＢｃ （３）
－１１０ｄＢｃ／Ｈｚ＋３ｄＢ＋１０Ｌｏｇ１０（１００ｋＨｚ）
＝－５７ｄＢｃ （３）
【0024】
上記位相差の位相雑音のＲＭＳ値－５７ｄＢｃは、Ｔｂ＝１０μｓ場合の干渉波形のジッタとしてＲＭＳ値で１４ｎｓに相当し、ｆｍ＝２５ＧＨｚの場合の距離測定に換算すると６μｍ相当に匹敵する。
【0025】
したがって、光コム距離計において、測定のばらつきを小さくするためには,本質的に式（１）にて示されるφＡ（ｔ）－φＢ（ｔ）を小さくする必要がある。
【0026】
特許文献１、特許文献２の開示技術では、基準面を持つ干渉計と基準光検出器を用いて包絡線ピークを測定する系と、被測定距離を含む干渉計と測定光検出器を用いて干渉波形の包絡線ピークの差を用いることで、位相雑音の影響の低減を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0027】
【特許文献1】特許第５２３１８８３号公報
【特許文献2】特開２０２０－００８３５７号公報
【非特許文献】
【0028】
【非特許文献1】Ultra Herley ホームページhttps://www.ultra-herley.com/uploads/herley/datasheets/cti/Ultra%20Herley%20Series%20PDRO.pdfhttps://www.ultra-herley.com/uploads/herley/datasheets/cti/Ultra%20Herley%20Series%20PCRO.pdfhttps://www.ultra-herley.com/uploads/herley/datasheets/cti/Ultra%20Herley%20Series%20PXS.pdf
【非特許文献2】Analog devices ホームページhttps://www.analog.com/media/jp/analog-dialogue/volume-51/number-3/articles/improved-dac-phase-noise-measurements-enable-ultra-low-phase-noise-dds-applications_jp.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0029】
特許文献１に開示されている光コム距離計では、２つの発振器１０３Ａ，１０３Ｂの周波数はｆｍ＝２５ＧＨｚという高周波数である。このような高周波数の発振器を低周波数（例えば１０ＭＨｚ）の基準信号を用いた位相同期においては位相比較器の分周率は大きく位相比較器の雑音は大きい。また位相比較器の雑音レベルまで制御しても、位相比較器同士の雑音は無相関であるので、２台の発振器の位相雑音は無相関である。また広帯域に制御することは逆に発振器の位相雑音を大きくする要因になるので、制御帯域には最適値がある。
【0030】
しかしながら、特許文献１には、複数の光コムの駆動信号源の相対的安定性が重要であると強く認識はされているものの、位相同期ループの帯域を広くとった対の発振器が必要であると記載されているだけで、それを実現する手段は示されていない。
【0031】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、光コム距離計における複数の光コム発生器を駆動する異なる周波数の駆動信号の相対位相雑音を低減することにより、光コムの干渉信号の繰り返し周波数が安定化された低相対位相雑音光コム発生装置を提供することにある。
【0032】
また、本発明の他の目的は、距離計や形状計測機などの測定のばらつきを低減し、測定を高速化させることができるようにすることにある。
【0033】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【0034】
本発明では、光コム距離計における複数の光コム発生器を駆動する異なる周波数の駆動信号の相対位相雑音を低減することにより、光コムの干渉信号の繰り返し周波数を安定化する。
【0035】
すなわち、本発明は、低相対位相雑音光コム発生装置であって、互いに周波数の異なる周波数信号を発生する少なくとも３つの発振器と、上記３つの発振器の内の１の発振器により得られる周波数信号と、上記１の発振器以外の各発振器により得られる各周波数信号が入力される少なくとも２つの周波数変換器と、上記少なくとも２つの周波数変換器により周波数変換された互いに周波数の異なる少なくとも２種類の変調信号が供給される少なくとも２つの光コム発生器とを備え、上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ上記１の発振器による周波数信号と他の発振器による周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号として相対位相雑音を低減した上記少なくとも２種類の変調信号を駆動信号として少なくとも２つの光コム発生器に供給することを特徴とする。
【0036】
本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置において、上記少なくとも３つの発振器の内の上記１の発振器以外の各発振器は、上記１の発振器よりも位相雑音が小さいものとすることができる。
【0037】
本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置において、上記少なくとも３つの発振器は、基準発振器により与えられる基準周波数信号に位相同期された互いに周波数の異なる周波数信号を発生するものとすることができる。
【0038】
本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置において、上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ周波数混合器であるものとすることができる。
【0039】
また、本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置において、上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ周波数混合器と位相比較器と電圧制御型発振器からなるものとすることができる。
【0040】
また、本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置において、上記少なくとも２つの光コム発生器には、上記少なくとも２つの周波数変換器から変調信号がそれぞれ帯域通過フィルタを介して駆動信号として供給されるものとすることができる。
【0041】
また、本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置において、上記少なくとも２つの周波数変換器には、上記１の発振器により得られる周波数信号がそれぞれアイソレータを介して入力されるものとすることができる。
【0042】
また、本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置において、上記少なくとも３つの発振器は、それぞれＰＬＬ回路により基準の周波数信号に位相同期された周波数が固定された状態の少なくとも３種類の変調信号を発生するものとすることができる。
【0043】
また、本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置において、上記少なくとも３つの発振器の内の上記１の発振器以外の各発振器は、上記基準周波数信号に位相同期されたクロックにより駆動される各ディジタル直接合成発振器（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）であるものとすることができる。
【0044】
また、本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置は、上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する３つの発振器と、２つの周波数変換器と、２つの光コム発生器を備え、上記２つの周波数変換器により得られる相対位相雑音を低減した２種類の変調信号を駆動信号として上記２つの光コム発生器に供給するものとすることができる。
【0045】
さらに、本発明に係る低相対位相雑音光コム発生装置は、Ｘを１以上の整数、Ｙを２以上の整数として、上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する（Ｘ＋Ｙ）個の発振器と、ＸＹ個の周波数変換器と、Ｙ個の光コム発生器を備え、（Ｙ＋１）個の発振器とＹ個の周波数変換器とＹ個の光コム発生器とで構成される基本構成をＸ重化してなるものとすることができる。
【発明の効果】
【0046】
本発明では、１の発振器により得られる周波数信号と該周波数信号よりも位相雑音の小さい他の発振器により得られる周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号として相対位相雑音を低減した変調信号を駆動信号として２つの光コム発生器に供給することにより、光コムの干渉信号の繰り返し周波数が安定化された低相対位相雑音光コム発生装置を提供することができる。
【0047】
本発明では、複数の光コム発生器を駆動する異なる周波数の駆動信号の相対位相雑音を低減して、光コムの干渉信号の繰り返し周波数を安定化することができ、距離計や形状計測機などの測定のばらつきを低減し、測定を高速化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】本発明を適用した低相対位相雑音光コム発生装置の構成例を示すブロック図である。
【図2】上記光コム発生装置における周波数変換器の構成例を示すブロック図である。
【図3】本発明を適用した低相対位相雑音光コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図4】本発明を適用した低相対位相雑音光コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図5】本発明を適用した低相対位相雑音光コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図6】本発明を適用した低相対位相雑音光コム発生装置のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図7】上記低相対位相雑音光コム発生装置において、２つ光コム発生器に供給される駆動信号の状態遷移を示す状態遷移図である。
【図8】従来の光コム駆動回路の構成を示すブロック図である。
【図9】光コム駆動回路により駆動される光コム発生器の出力を干渉させ、光検出器で検出することにより得られる検出出力の波形図である。
【図10】特許文献１のデータを引用してプロットした各発振器の位相雑音を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0049】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【0050】
本発明は、例えば図１のブロック図に示すにように、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光と出射する２つの光コム発生器１５Ａ，１５Ｂを備える低相対位相雑音光コム発生装置１０に適用される。
【0051】
この低相対位相雑音光コム発生装置１０は、例えば特許文献１，２等に記載されている測定光の干渉信号と基準光の干渉信号の時間差から距離を測定する光コム距離計や三次元形状測定機において、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光と出射する光源として用いられる。
【0052】
この低相対位相雑音光コム発生装置１０は、基準発振器１１から基準周波数信号ＦＲＥＦが３分岐のパワーデバイダ１２Ａを介して供給される３つの発振器１３Ａ，１３Ｂ，１３と、第３の発振器１３から第３の周波数信号が２分岐のパワーデバイダ１２Ｂを介して供給される２つの周波数変換器１４Ａ，１４Ｂを備え、第１の周波数変換器１４Ａに第１の発振器１３Ａから第１の周波数信号が供給され、第２の周波数変換器１４Ｂに第２の発振器１３Ｂから第２の周波数信号が供給されることにより、上記第１の周波数変換器１４Ａにより第１の周波数信号の周波数ｆ１と第３の周波数信号の周波数ｆ３の和周波数ｆ１＋ｆ３に周波数変換した第１の変調信号を得るとともに、上記第２の周波数変換器１４Ｂにより第２の周波数信号の周波数ｆ２と第３の周波数信号の周波数ｆ３の和周波数ｆ２＋ｆ３に周波数変換した第２の変調信号を得て、上記第１の周波数変換器１４Ａにより得られる第１の変調信号を第１の光コム発生器１５Ａに供給するとともに、上記第２の周波数変換器１４Ｂにより得られる第２の変調信号を第２の光コム発生器１５Ｂに供給するようになっている。
【0053】
上記３つの発振器１３Ａ，１３Ｂ，１３は、上記基準発振器１１により与えられる基準周波数信号ＦＲＥＦに例えばＰＬＬ（Phase-Locked Loop）により位相同期されて互いに周波数の異なる３種類の周波数ｆｂ，ｆｂ＋Δｆ，ｆｍ－ｆｂの周波数信号を発生する。
【0054】
このように、第１の発振器１３Ａが出力する第１の周波数信号の周波数ｆ１をｆｂ、第２の発振器１３Ｂが出力する第２の周波数信号の周波数ｆ２をｆｂ＋Δｆ、第３の発振器１３Ｂが出力する第３の周波数信号の周波数ｆ３をｆｍ－ｆｂとすると、第１の周波数変換器１４Ａにより第１の周波数信号と第３の周波数信号による和周波数ｆ１＋ｆ３はｆｍとなり、第１の周波数変換器１４Ａにより周波数がｆｍの第１の変調信号が得られ、また、第２の周波数信号と第３の周波数信号による和周波数ｆ２＋ｆ３はｆｍ＋Δｆとなり、第２の周波数変換器１４Ｂにより周波数がｆｍ＋Δｆの第２の変調信号が得られる。
【0055】
上記３つの発振器１３Ａ，１３Ｂ，１３のうち第３の発振器１３以外の２つの発振器１３Ａ，１３Ｂは、上記第３の発振器１３よりも位相雑音が小さいものとなっている。
【0056】
上記３つの発振器１３Ａ，１３Ｂ，１３の位相雑音は、それぞれφａ（ｔ）、φｂ（ｔ）及びφＣ（ｔ）とする。ここで、平均値は０である。それぞれすべて無相関と仮定する。
【0057】
上記周波数変換器１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ入力される第３の周波数信号と該第３の周波数信号よりも位相雑音の小さい他の周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号を生成する、すなわち、周波数の加算又は減算を行う機能を有する。
【0058】
そして、周波数変換器１４Ａ，１４Ｂが加算器である場合、第１の周波数変換器１４Ａにより得られる周波数がｆｍの信号の位相雑音φＡ（ｔ）は、次の式（４）となる。
φＡ（ｔ）＝φＣ（ｔ）＋φａ（ｔ） （４）
φＡ（ｔ）＝φＣ（ｔ）＋φａ（ｔ） （４）
【0059】
また、第２の周波数変換器１４Ｂにより得られる周波数がｆｍ＋Δｆの信号の位相雑音φＢ（ｔ）は、次の式（５）となる。
φＢ（ｔ）＝φＣ（ｔ）＋φｂ（ｔ） （５）
φＢ（ｔ）＝φＣ（ｔ）＋φｂ（ｔ） （５）
【0060】
これを上述の式（１）に代入するとｔｎ－ｎＴｂのジッタのＲＭＳ値は、次の式（６）となる。
Ｔｂ√（＜（φＣ（ｔ）＋φｂ（ｔ）－φＣ（ｔ）－φａ（ｔ））２＞）／２π
＝Ｔｂ√（＜φｂ（ｔ）２＞＋＜φａ（ｔ）２＞）／２π （６）
となる。
Ｔｂ√（＜（φＣ（ｔ）＋φｂ（ｔ）－φＣ（ｔ）－φａ（ｔ））２＞）／２π
＝Ｔｂ√（＜φｂ（ｔ）２＞＋＜φａ（ｔ）２＞）／２π （６）
となる。
【0061】
上記（６）式は被測定距離が０の場合の計算である。特許文献１、特許文献２の開示技術の基準光検出器を用いて包絡線ピークを測定する系の計算と考えてもよい。被測定距離を含む干渉計と測定光検出器を用いて干渉波形の包絡線ピークを検出する系では、被測定距離の時間遅延τを考慮しなければならない。被測定距離の時間遅延τとする場合（６）式は次の（７）式に書き直せる。
Ｔｂ√（＜（φＣ（ｔ）＋φｂ（ｔ）－φＣ（ｔ－τ）－φａ（ｔ－τ））２＞）／２π
＝Ｔｂ√（２＜φＣ（ｔ）２＞－２＜φＣ（ｔ）φＣ（ｔ－τ）＞＋＜φｂ（ｔ）２＞＋＜φａ（ｔ）２＞）／２π （７）
となる。
Ｔｂ√（＜（φＣ（ｔ）＋φｂ（ｔ）－φＣ（ｔ－τ）－φａ（ｔ－τ））２＞）／２π
＝Ｔｂ√（２＜φＣ（ｔ）２＞－２＜φＣ（ｔ）φＣ（ｔ－τ）＞＋＜φｂ（ｔ）２＞＋＜φａ（ｔ）２＞）／２π （７）
となる。
【0062】
こで＜φＣ（ｔ）φＣ（ｔ―τ）＞は発振器１３の位相雑音の自己相関関数である。自己相関が大きいτの範囲で２＜φＣ（ｔ）２＞－２＜φＣ（ｔ）φＣ（ｔ―τ）＞の項は小さな値をとることができる。下記ではτを０と近似して議論する。
【0063】
すなわち、ジッタは、周波数がｆｂの第１の周波数信号の位相雑音φａ（ｔ）及び周波数がｆｂ＋Δｆの第２の周波数信号の位相雑音φｂ（ｔ）によって決定され、上記第１の発振器１３Ａが出力する周波数ｆ１（ｆｂ）の第１の周波数信号の位相雑音φａ（ｔ）、及び、上記第２の発振器１３Ｂが出力する周波数ｆ２（ｆｂ＋Δｆ）の第２の周波数信号の位相雑音φｂ（ｔ）によって決定される。
【0064】
したがって、ｆｍ＝２５ＧＨｚであったとしても、例えばｆｂ、ｆｂ＋Δｆが１ＧＨｚ程度であれば、φａ（ｔ）、φｂ（ｔ）の位相雑音レベルは図１０に示すＰＣＲＯの特性相当のレベルに低減され、図１０のオフセット周波数１ＭＨｚの範囲で約２０ｄＢの相対位相雑音の改善が見込まれる。
【0065】
さらにｆｂ、ｆｂ＋Δｆを１００ＭＨｚ程度とすると、図１０に示すＸＰＳの特性相当のレベルになり、４０ｄＢ以上の相対位相雑音の改善が見込まれる。
【0066】
ここで、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０において、周波数変換器１４Ａ，１４Ｂは、周波数の加算を行うものとして説明したが、周波数の減算を行うものであってもよい。この場合、第３の発振器１３が発生する第３の周波数信号の周波数ｆ３をｆｍ＋ｆｂ、第１の発振器１３Ａが発生する第１の周波数信号の周波数ｆ１をｆｂ、第２の発振器１３Ｂが発生する第２の周波数信号の周波数ｆ２をｆｂ－Δfとすることにより、周波数変換器１４Ａ，１４Ｂにおいて周波数の減算を行うことにより、第１の周波数変換器１４Ａにより周波数がｆｍの第１の変調信号が得られ、また、第２の周波数信号と第３の周波数信号による和周波数ｆ２－ｆ３はｆｍ＋Δｆとなり、第２の周波数変換器１４Ｂにより周波数がｆｍ＋Δｆの第２の変調信号が得られる。
【0067】
上記低相対位相雑音光コム発生装置１０において、周波数変換器１４Ａ，１４ＢにはダイオードやダブルバランスドミキサやＩＱミキサなどの周波数混合器、あるいは、例えば、図２に示すような構成の位相同期を利用した周波数変換器１４が用いられる。
【0068】
ここで、上記周波数変換器１４Ａ，１４ＢにダイオードやダブルバランスドミキサやＩＱミキサなどの周波数混合器を用いる場合、周波数混合器は、非線形素子であるために、必要な周波数成分以外の周波数成分が発生するので、図１に一点鎖線のブロックとして示すように、周波数変換器１４Ａ，１４Ｂの出力側にそれぞれ帯域通過フィルタ１６Ａ，１６Ｂを挿入して必要な周波数成分だけを駆動信号として光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに供給することになる。
【0069】
例えば、周波数混合器を用いた第１の周波数変換器１４Ａでは、必要なｆｍの周波数成分だけでなく望まない周波数成分ｆｍ＋Ｍｆｂ（Ｍ＝０を除く）のスプリアスが発生する。ここで、Ｍは整数である。この周波数成分が第１の光コム発生器１５Ａに駆動信号として供給する第１の変調信号に混入すると、上記第１の光コム発生器１５Ａによる光コム発生においてスプリアスとなって計測値に影響を及ぼす場合がある。この影響をさせるために帯域通過フィルタ１６Ａを用いて、必要なｆｍの周波数成分だけを通過させ、それ以外の周波数成分を測定仕様に影響しない程度まで減衰させる。
【0070】
また、周波数混合器を用いた第1の周波数変換器１４Ａにより発生される望まない周波数成分ｆｍ＋Ｍｆｂは、入力側のパワーデバイダ１２Ｂの方向にも伝搬し、パワーデバイダ１２Ｂも理想的な特性ではないので、第２の周波数変換器１４Ｂに到達することになる。第２の周波数変換器１４Ｂに到達した上記望まない周波数成分ｆｍ＋Ｍｆｂが周波数変換されることにより、該第２の周波数変換器１４Ｂの出力には、ｆｍ＋Ｍｆｂ＋Ｍ’（ｆｂ＋Δｆ）の周波数成分が混入することになる。
【0071】
ここで、Ｍ’は整数である。Ｍ＋ Ｍ’＝０以外の周波数成分は、ｆｍから＋ｆｂ又は－ｆｂの外になるので、必要なｆｍ＋Δｆの周波数を通過させるバンドパスフィルタ１６Ａにより減衰させることできる。しかし、Ｍ＋Ｍ’＝０の周波数成分は、ｆｍ＋Ｍ’Δｆとなり、必要なＭ’＝１のｆｍ＋Δｆｍに極めて近い周波数成分で、帯域通過フィルタ１６Ａにより取り去ることは困難であるので、図１に一点鎖線のブロックとして示すように、入力側にそれぞれアイソレータ１７Ａ，１７Ｂを挿入することにより、周波数変換器１４Ａ，１４Ｂによる反射成分を減衰させることができる。
【0072】
上記アイソレータ１７Ａ，１７Ｂには、リバースアイソレーションが大きいマイクロ波増幅器、パイ型抵抗減衰器やＴ型抵抗減衰器、フェライトを用いたマイクロ波アイソレータなどのアイソレーション素子や、可変減衰器と帯域通過フィルタとを組み合わせたアイソレーション回路やアイソレーション増幅器と抵抗減衰器や帯域通過フィルタとを組み合わせたアイソレーション回路など用いることができる。
【0073】
また、 第１の発振器１３が出力する第１の周波数信号の周波数ｆ１を（ｆｍ－ｆｂ）／Ｐに変更し、上記アイソレータ１７Ａ，１７Ｂに変えて逓倍数がＰの周波数逓倍器を周波数変換器１４Ａ，１４Ｂの入力側に挿入することにより、周波数変換器１４Ａ，１４Ｂによる反射成分の影響を少なくすることができる。
【0074】
すなわち、各周波数逓倍器により、第１の発振器１３からパワーデバイダ１２Ｂを介して供給される第１の周波数信号の周波数（ｆｍ－ｆｂ）／ＰをＰ逓倍して、周波数変換器１４Ａ，１４Ｂに入力することにより、第１の周波数変換器１４Ａにより周波数がｆｍの第１の変調信号が得られ、また、第２の周波数変換器１４Ｂにより周波数がｆｍ＋Δｆの第２の変調信号が得られる。
【0075】
第２の周波数変換器１４Ｂにより発生される不要な周波数成分ｆｍ＋Ｍｆｂが伝搬されても、周波数逓倍器は分周器としての効果は小さい、すなわち、アイソレーション効果が高いので、帯域通過フィルタを介して（ｆｍ－ｆｂ）／Ｐに近い周波数成分が第１の周波数変換器１４Ａに到達する量は極めて小さくなる。
【0076】
さらに、第３の発振器１３が発生する第３の周波数信号の周波数ｆ３成分だけを通過させる帯域通過フィルタをパワーデバイダ１２Ｂの出力側に挿入ことにより、周波数変換器１４Ａ，１４Ｂによる反射成分の影響を少なくすることができる。
【0077】
すなわち、帯域通過フィルタにより、第３の発振器１３が発生する第３の周波数信号の周波数ｆ３成分すなわち、（ｆｍ－ｆｂ）の周波数成分、周波数逓倍器を用いる場合には（ｆｍ－ｆｂ）／Ｐの周波数成分だけを通過させ、それ以外の周波数成分を測定仕様に影響しない程度まで減衰させることができる。例えば、（ｆｍ－ｆｂ）の周波数成分又は（ｆｍ－ｆｂ）／Ｐの周波数成分が第１の周波数変換器１４Ａに到達したとしても、第１の発振器１３が発生する第３の周波数信号の周波数ｆ３と同じなので、不要なスプリアス成分は発生しない。
【0078】
上記低相対位相雑音光コム発生装置１０では、実用上、これらを組み合わせて、パフォーマンスの向上が図られた最適な構造が採用される。
【0079】
なお、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０において、ｆｂ、ｆｂ＋Δｆを１００ＭＨｚ程度とすると、４０ｄＢ以上の相対位相雑音の改善が見込まれるとしたが、ｆｍ＝２５ＧＨｚの場合でｆｂ＝１００ＭＨｚの場合、帯域通過フィルタ１６Ａ，１６Ｂには、ｆｍ＋ｆｂ又はｆｍ－ｆｂのスプリアスを低減するには２５００以上の極めてＱ値の高いフィルタが必要となる。
【0080】
ここで、上記周波数変換器１４Ａ，１４Ｂには、ダイオードやダブルバランスドミキサやＩＱミキサなどの周波数混合器ではなく、図２に示すような構成の位相同期を利用した周波数変換器１４を用いることもできる。
【0081】
この周波数変換器１４は、位相比較器１４１と、この位相比較器１４１により発振位相が制御される電圧制御型発振器１４２と、この電圧制御型発振器１４２から出力される周波数信号が分岐されて入力される周波数混合器１４３を備える。
【0082】
この周波数変換器１４において、上記周波数混合器１４３には、上記第３の発振器１３により得られる周波数ｆ３すなわちｆｍ－ｆｂの第３の周波数信号が周波数混合器１４３に入力されており、例えば上記周波数変換器１４Ａとして用いる場合、上記位相比較器１４１には、上記第１の発振器１３Ａにより得られる周波数ｆ１すなわちｆｂの第１の周波数信号が入力され、上記電圧制御型発振器１４２から周波数ｆ４すなわちｆｍの第４の周波数信号を出力する。
【0083】
上記周波数混合器１４３は、上記第４の周波波数信号のｆ４すなわちｆｍと上記第３の周波数信号の周波数ｆ３すなわちｆｍ－ｆｂとの差周波数ｆ４－ｆ３＝ｆｂの周波数信号を上記位相比較器１４１に入力する。
【0084】
上記位相比較器１４１において、上記差周波数ｆｂの周波数信号と上記周波数ｆ１すなわちｆｂの第１の周波数信号との位相比較を行い上記電圧制御型発振器１４２にフィードバックして、上記電圧制御型発振器１４２の発振位相を制御することにより、上記周波数ｆ３すなわちｆｍ－ｆｂの第３の周波数信号に位相同期した上記周波数ｆ４すなわちｆｍの第４の周波数信号が上記電圧制御型発振器１４２により得られる。
【0085】
また、この周波数変換器１４は、上記周波数変換器１４Ｂとして用いる場合、上記第２の発振器１３Ｂにより得られる周波数ｆ２すなわちｆｂ＋Δｆの第２の周波数信号が上記位相比較器１４１に入力されることにより、電圧制御型発振器１４２により得られる第５の周波波数信号の周波数ｆ５と上記第３の周波数信号の周波数ｆ３との差周波数ｆ5－ｆ３が上記第２の周波数信号の周波数ｆ２と一致するように上記電圧制御型発振器１４２の発振位相が制御されて、
ｆ５＝ｆ２＋ｆ３
＝（ｆｂ＋Δｆ）＋（ｆｍ－ｆｂ）
＝ｆｍ＋Δｆ
上記周波数ｆ３すなわちｆｍ－ｆｂの第３の周波数信号に位相同期した上記周波数ｆ５すなわちｆｍ＋Δｆの第５の周波数信号が上記電圧制御型発振器１４２により得られる。
ｆ５＝ｆ２＋ｆ３
＝（ｆｂ＋Δｆ）＋（ｆｍ－ｆｂ）
＝ｆｍ＋Δｆ
上記周波数ｆ３すなわちｆｍ－ｆｂの第３の周波数信号に位相同期した上記周波数ｆ５すなわちｆｍ＋Δｆの第５の周波数信号が上記電圧制御型発振器１４２により得られる。
【0086】
ここで、位相比較器１４１は、ダブルバランスドミキサなど位相比較器であり、同一周波数同士の位相比較を行うため低雑音である。また、制御帯域は、周波数比較がｆｂの周波数で行われるため大きくでき、例えば１０ＭＨｚ以上とることができる。そのため周波数変換器１４Ａ，１４Ｂの出力の相対位相雑音は周波数ｆｂの第４の周波数信号と周波数ｆｂ＋Δｆの第５の周波数信号との相対位相雑音に等しくなる。
【0087】
また、周波数変換器１４の出力は、周波数ｆｂの第４の周波数信号又は周波数ｆｂ＋Δｆの第５の周波数信号の位相同期の制御帯域より十分大きいので、電圧制御型発振器１４２のスプリアスｆｍ＋ｆｂ又はｆｍのスプリアスを小さくできる。
【0088】
したがって、上記周波数変換器１４Ａ，１４Ｂとしてそれぞれ上記位相同期を利用した周波数変換器１４を用いることにより、出力側の帯域通過フィルタ１６Ａ，１６Ｂは、不要とする、あるいは仕様を軽減することができる。
【0089】
また、上記図１のブロック図に示した低相対位相雑音光コム発生装置１０の構成を２重化して、周波数ｆｂ、及び周波数ｆｂ＋Δｆの発生段階で相対位相雑音の低減を行うことにより、帯域通過フィルタ１６Ａ，１６Ｂの仕様を軽減することができる。
【0090】
図３のブロック図に示す低相対位相雑音光コム発生装置２０は、上記基準発振器１１により与えられる基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する４つの発振器１３，２３，２３Ａ，２３Ｂと、４つの周波数変換器１４Ａ，１４Ｂ，２４Ａ，２４Ｂと、２つの光コム発生器１５Ａ，１５Ｂを備え、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０の構成を２重化してなる。
【0091】
なお、この低相対位相雑音光コム発生装置２０において、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０と同一の構成要素については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0092】
すなわち、この低相対位相雑音光コム発生装置２０は、４分岐のパワーデバイダ２２Ａを介して供給される４つ発振器２３Ａ，２３Ｂ，１３，２３と、第３の発振器１３から第３の周波数信号が２分岐のパワーデバイダ１２Ｂを介して供給される第１，第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂと、第４の発振器２３から第８の周波数信号が２分岐のパワーデバイダ２２Ｂを介して供給される第３，第４の周波数変換器２４Ａ，２４Ｂを備える。
【0093】
そして、この低相対位相雑音光コム発生装置２０では、第３の周波数変換器２４Ａに第４の発振器２３Ａから第６の周波数信号が供給され、第４の周波数変換器２４Ｂに第５の発振器２３Ｂから第７の周波数信号が供給されることにより、上記第３の周波数変換器２４Ａにより第６の周波数信号の周波数ｆ６と第８の周波数信号の周波数ｆ８との和周波数ｆ６＋ｆ８に周波数変換した周波数ｆ９＝ｆ６＋ｆ８の第９の周波数信号を得るとともに、上記第４の周波数変換器２４Ｂにより第７の周波数信号の周波数ｆ７と第８の周波数信号の周波数ｆ８の和周波数ｆ７＋ｆ８に周波数変換した周波数ｆ１０＝ｆ７＋ｆ８の第１０の周波数信号を得て、上記第３の周波数変換器２４Ａにより得られる第９の周波数信号を第１の周波数変換器１４Ａに供給するとともに、上記第４の周波数変換器２４Ｂにより得られる第１０の周波数信号を第２の周波数変換器１４Ｂに供給するようになっている。
【0094】
ここで、上記第１乃至第４の発振器２３Ａ，２３Ｂ，１３，２３，は、上記基準発振器１１により与えられる例えば周波数１０ＭＨｚの基準周波数信号ＦＲＥＦに位相同期して、発振周波数が固定され、第３の発振器１３は、周波数ｆ３＝ｆｍ－ｆｂの第３の周波数信号を出力し、第８の発振器２３は、周波数ｆ８＝ｆｂ－ｆｃの第８の周波数信号を出力し、第４の発振器２３Ａは、周波数ｆ６＝ｆｃの第６の周波数信号を出力し、第５の発振器２３Ｂは、周波数ｆ７＝ｆｃ＋Δｆの第７の周波数信号を出力する。
【0095】
この低相対位相雑音光コム発生装置２０において、上記第１の周波数変換器１４Ａは、上記第３の周波数変換器２４Ａから、
ｆ９＝ｆ６＋ｆ８
＝ｆｂ－ｆｃ＋ｆｃ
＝ｆｂ
の第９の周波数ｆ９の第９の周波数信号が供給されることにより、第３の発振器１３により与えられる第３の周波数信号の周波数ｆ３＝ｆｍ－ｆｂと上記第９の周波数信号の周波数ｆ９との和周波数ｆ４
ｆ４＝ｆ３＋ｆ９
＝ｆｍ－ｆｂ＋ｆｂ
＝ｆｍ
の第１の変調信号を第１の光コム発生器１５Ａに駆動信号として供給する。
ｆ９＝ｆ６＋ｆ８
＝ｆｂ－ｆｃ＋ｆｃ
＝ｆｂ
の第９の周波数ｆ９の第９の周波数信号が供給されることにより、第３の発振器１３により与えられる第３の周波数信号の周波数ｆ３＝ｆｍ－ｆｂと上記第９の周波数信号の周波数ｆ９との和周波数ｆ４
ｆ４＝ｆ３＋ｆ９
＝ｆｍ－ｆｂ＋ｆｂ
＝ｆｍ
の第１の変調信号を第１の光コム発生器１５Ａに駆動信号として供給する。
【0096】
また、上記第２の周波数変換器１４Ｂは、上記第４周波数変換器２４Ｂから、周波数ｆ１０
ｆ１０＝ｆ７＋ｆ８
＝（ｆｃ＋Δｆ）＋（ｆｂ－ｆｃ）
＝ｆｂ＋Δｆ
の第１０の周波数信号が供給されることにより、第３の発振器１３により与えられる第３の周波数信号の周波数ｆ３＝ｆｍ－ｆｂと上記第１０の周波数信号の周波数ｆ１０との和周波数ｆ５
ｆ５＝ｆ３＋ｆ１０
＝（ｆｍ－ｆｂ）＋（ｆｂ＋Δｆ）
＝ｆｍ＋Δｆ
の第２の変調信号を第２の光コム発生器１５Ｂに駆動信号として供給する。
ｆ１０＝ｆ７＋ｆ８
＝（ｆｃ＋Δｆ）＋（ｆｂ－ｆｃ）
＝ｆｂ＋Δｆ
の第１０の周波数信号が供給されることにより、第３の発振器１３により与えられる第３の周波数信号の周波数ｆ３＝ｆｍ－ｆｂと上記第１０の周波数信号の周波数ｆ１０との和周波数ｆ５
ｆ５＝ｆ３＋ｆ１０
＝（ｆｍ－ｆｂ）＋（ｆｂ＋Δｆ）
＝ｆｍ＋Δｆ
の第２の変調信号を第２の光コム発生器１５Ｂに駆動信号として供給する。
【0097】
ここで、上記第４周波数変換器２４Ｂから上記第２の周波数変換器１４Ｂに供給する第１０の周波数信号の周波数ｆ１０すなわちｆｂ＋Δｆは１ＧＨｚ＋５００ｋＨｚとし、ｆｃは１００ＭＨｚとする。
【0098】
この低相対位相雑音光コム発生装置２０では、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０における第１、第１の発振器１３Ａ，１３Ｂに変えて第１、第２の光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに駆動信号を供給する上記第４、第５の発振器２３Ａ，２３Ｂにより、上記駆動信号の相対位相雑音が決まる。ｆｂが１ＧＨｚであってもｆｃが１００ＭＨｚであるので、その比率は１０程度であるから、上記第３、第４の周波数変換器２４Ａ，２４Ｂに帯域通過フィルタ２６Ａ，２６Ｂを挿入して、不要な周波数成分を容易に除去することができる。
【0099】
上記第１乃至第４の発振器２３Ａ，２３Ｂ，１３，２３，の位相雑音をそれぞれφＤ（ｔ）、φｃ（ｔ）、φｄ（ｔ）とする。ここで平均値は０である。それぞれすべて無相関と仮定する。
【0100】
上記第４、第５の周波数変換器２４Ａ，２４Ｂが加算器である場合、上記第４の周波数変換器２４Ａにより得られる周波数ｆｂの第９の周波数信号の位相雑音φａ（ｔ）と上記第５の周波数変換器２４Ｂにより得られる周波数ｆｂ＋Δｆの第１０の周波数信号の位相雑音φｂ（ｔ）は、それぞれ次の式（８）、式（９）となる。
φａ（ｔ）＝φＤ（ｔ）＋φｃ（ｔ） （８）
φｂ（ｔ）＝φＤ（ｔ）＋φｄ（ｔ） （９）
φａ（ｔ）＝φＤ（ｔ）＋φｃ（ｔ） （８）
φｂ（ｔ）＝φＤ（ｔ）＋φｄ（ｔ） （９）
【0101】
これを上記式（６）に代入すると、ｔｎ－ｎＴｂのジッタのＲＭＳ値は、次の式（１０）となる。
Ｔｂ√（＜（φＣ（ｔ）＋（φＤ（ｔ）＋φｄ（ｔ））－φＣ（ｔ）－（φＤ（ｔ）＋φｃ（ｔ）））２＞）／２π
＝Ｔｂ√（＜φｄ（ｔ）２＞＋＜φｃ（ｔ）２＞）／２π （１０）
Ｔｂ√（＜（φＣ（ｔ）＋（φＤ（ｔ）＋φｄ（ｔ））－φＣ（ｔ）－（φＤ（ｔ）＋φｃ（ｔ）））２＞）／２π
＝Ｔｂ√（＜φｄ（ｔ）２＞＋＜φｃ（ｔ）２＞）／２π （１０）
【0102】
ここで、φｃ（ｔ）、φｄ（ｔ）の位相雑音は図１０に示す１００ＭＨｚ発振器ＸＰＳの特性相当のレベルになり、２５ＧＨｚの位相雑音に比較して４０ｄＢ以上の相対位相雑音の改善が見込まれる。
【0103】
上記低相対位相雑音光コム発生装置２０は、上記図１のブロック図に示した低相対位相雑音光コム発生装置１０の基本構成を２重化したものであるが、光コム発生器は３個以上とすることもでき、また、Xを１以上の整数、Ｍを２以上の整数として、上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する（Ｘ＋Ｙ）個の発振器と、ＸＹ個の周波数変換器と、Ｙ個の光コム発生器を備えることにより、（Ｙ＋１）個の発振器とＹ個の周波数変換器とＹ個の光コム発生器とで構成される基本構成をＸ重化することができる。
【0104】
例えば、Ｘ＝３，Ｙ＝３として、4個の発振器と、6個の周波数変換器と３個の光コム発生器を備えることにより、４個の発振器と３個の周波数変換器と３個の光コム発生器とで構成される基本構成を３重化した低相対位相雑音光コム発生装置を構成することができる。
【0105】
また、Ｘ重化した低相対位相雑音光コム発生装置において、発振周波数が同じ発振器を備える場合、例えば、上記低相対位相雑音光コム発生装置２０において、第３、４の発振器１３，２３の発振周波数が同じであれば、第３の発振器１３を第４の発振器２３兼用することができ、発振器の数を減らすことができる。
【0106】
ここで、上記図１のブロック図に示した低相対位相雑音光コム発生装置１０では、第１，第２の発振器１３Ａ，１３Ｂにおいて、基準発振器１１により与えられる基準周波数信号ＦＲＥＦにＰＬＬにより位相同期して互いに周波数の異なる第１，第２の周波数信号を発生するようにしたが、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer：ディジタル直接合成発振器）を採用することもできる。
【0107】
ＤＤＳは、出力周波数よりも高い周波数のシステムクロックで動作する高速信号発生器であり、ナイキストの定理からシステムクロックの半分以下の周波数であれば原理的に出力可能である。ＤＤＳは一種の分周器と考えることができ、分周比は整数値である必要はない。ＤＤＳ出力の位相雑音はシステムクロックで決まり、分周比分減少する。同じシステムクロックで動作する複数のＤＤＳ出力の相対的位相雑音は絶対位相雑音より小さい（例えば、非特許文献２参照）。このような同じシステムクロックで動作するＤＤＳ発振器をｆｍ，ｆｍ＋Δｆ、ｆｂ，ｆｂ＋Δｆまたはｆｃ，ｆｃ＋Δｆの信号源に用いることにより相対位相雑音を小さくできる。
【0108】
図４に示す低相対位相雑音光コム発生装置３０は、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０おける第１，第２の発振器１３Ａ，１３ＢをＤＤＳ発振器３３Ａ，３３Ｂに置き換えたもので、基準発振器１１から２分岐のパワーデバイダ３２Ａを介して与えられる基準周波数信号ＦＲＥＦにＰＬＬにより位相同期してシステムクロックを発生する発振器３３を備え、この発振器３３により得られるシステムクロックが２分岐のパワーデバイダ３２Ｂを介してＤＤＳ発振器３３Ａ，３３Ｂに供給されるようになっている。上記ＤＤＳ発振器３３Ａ，３３Ｂは、上記基準周波数信号ＦＲＥＦに位相同期した同一のシステムクロックにより駆動されるので、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０相当以上に相対位相雑音を低減した周波数ｆｍの第１の変調信号と周波数ｆｍ＋Δｆの第２の変調信号を発生して２つ光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに供給することができる。
【0109】
なお、この低相対位相雑音光コム発生装置３０において、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０と同一の構成要素については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0110】
また、図５に示す低相対位相雑音光コム発生装置４０は、上記低相対位相雑音光コム発生装置２０おける第４，第５の発振器２３Ａ，２３ＢをＤＤＳ発振器４３Ａ，４３Ｂに置き換えたもので、基準発振器１１から３分岐のパワーデバイダ１２Ａを介して与えられる基準周波数信号ＦＲＥＦにＰＬＬにより位相同期してシステムクロックを発生する発振器４３を備え、この発振器４３により得られるシステムクロックが２分岐のパワーデバイダ４４を介してＤＤＳ発振器４３Ａ，４３Ｂに供給されるようになっている。上記ＤＤＳ発振器４３Ａ，４３Ｂは、上記基準周波数信号ＦＲＥＦに位相同期した同一のシステムクロックにより駆動されるので、上記低相対位相雑音光コム発生装置２０相当以上に相対位相雑音を低減した周波数ｆｃの第６の周波数信号と周波数ｆｃ＋Δｆの第７の周波数信号を発生することがきる。
【0111】
なお、この低相対位相雑音光コム発生装置４０において、上記低相対位相雑音光コム発生装置２０と同一の構成要素については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0112】
第４，第５の周波数変換器２４Ａ，２４Ｂは、上記ＤＤＳ発振器４３Ａ，４３Ｂにより得られる相対位相雑音を低減した周波数ｆｃの第６の周波数信号と周波数ｆｃ＋Δｆの第７の周波数信号と、第８の発振器２３により与えられる周波数ｆ８＝ｆｂ－ｆｃの第８の周波数信号との和周波数ｆ９＝ｆ６＋ｆ８＝ｆｂ，ｆ１０＝ｆ７＋ｆ８＝ｆｂ＋Δｆの第９、第１０の周波数信号を、帯域通過フィルタ２６Ａ、２６Ｂを介して第１、第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂに供給する。
【0113】
上記第１、第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂでは、第３の発振器１３により与えられる第３の周波数ｆ３＝ｆｍ－ｆｂの周波数信号と上記帯域通過フィルタ２６Ａ、２６Ｂ介して上記第４，第５の周波数変換器２４Ａ，２４Ｂから供給される第９、第１０の周波数信号との和周波数信号として得られる周波数ｆｍの第１の変調信号を上記第１の周波数変換器１４Ａから第１の光コム発生器１５Ａに駆動信号として供給し、周波数ｆｍ＋Δｆの第２の変調信号を上記第２の周波数変換器１４Bから第２の光コム発生器１５Ｂに駆動信号として供給することができる。
【0114】
図６に示す低相対位相雑音光コム発生装置５０は、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０における第２，第３の発振器１３Ａ，１３Ｂに替えて、シンセサイザ回路５３から出力される４種類の周波数信号をスイッチ回路５４を介して循回的に切り替えて入力することにより、変調周期が循回的に切り替えられた互いに周期が異なる２種類の周波数信号を第１，第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂに供給するようにしたものである。
【0115】
なお、この低相対位相雑音光コム発生装置５０において、上記低相対位相雑音光コム発生装置１０と同一の構成要素については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0116】
この低相対位相雑音光コム発生装置５０は、例えば、差周波数が５００ｋＨｚの独立した４つ周波数信号（Ｆ１：１０００ＭＨｚ、Ｆ２：１０１０ＭＨｚ、Ｆ３：１０００．５ＭＨｚ、Ｆ４：１０１０．５ＭＨｚ）を出力するシンセサイザ回路５３と、上記シンセサイザ回路５３から４つ周波数信号がそれぞれアイソレータ５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄを介して入力される４入力２出力のスイッチ回路５４を備え、上記スイッチ回路５４の２つの出力端子に上記第１，第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂが接続されている。
【0117】
この低相対位相雑音光コム発生装置５０において、第１の発振器１３は、基準発振器１１から５分岐のパワーデバイダ５２を介して供給される基準周波数信号ＦＲＥＦに位相同期されて発振位相が固定された周波数Ｆ０（例えば、２４ＧＨｚ）の周波数信号を上記第１，第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂに供給する。
【0118】
上記シンセサイザ回路５３は、基準発振器１１から５分岐のパワーデバイダ５２を介して供給される基準周波数信号ＦＲＥＦにそれぞれ位相同期されて周波数が固定された互いに異なる４種類の周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の周波数信号を発生する４つの発振器５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄを備える。
【0119】
第２の発振器５３Ａは、上記基準発振器１１により発生される基準周波数信号ＦＲＥＦにＰＬＬ回路により位相同期されて第１の周波数Ｆ１（１０００ＭＨｚ）に固定された第１の周波数信号を発生する。
【0120】
また、第３の発振器５３Ｂは、上記基準発振器１１により発生される基準周波数信号ＦＲＥＦにＰＬＬ回路により位相同期されて第２の周波数Ｆ２（１０１０ＭＨｚ）に固定された第２の周波数信号を発生する。
【0121】
また、第３の発振器５３Ｃは、上記基準発振器１１により発生される基準周波数信号ＦＲＥＦにＰＬＬ回路により位相同期されて周波数が第３の周波数１０００．５ＭＨｚに固定された第３の周波数信号Ｆ３を発生する。
【0122】
さらに、第４の発振器５３Ｄは、上記基準発振器１１により発生される基準周波数信号ＦＲＥＦにＰＬＬ回路により位相同期されて周波数が第４の周波数Ｆ４（１０１０．５ＭＨｚ）に固定された第４の周波数信号を発生する。
【0123】
上記スイッチ回路５４は、上記シンセサイザ回路５３から上記アイソレータ５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄを介して入力される１ＧＨｚ帯の４種類の周波数信号を巡回的に切り替えて２つの出力端子から交互に出力する。すなわち、上記スイッチ回路５４は、上記２つの出力端子に接続されている上記第１，第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂに供給する１ＧＨｚ帯の４種類の周波数信号を巡回的に切り替える４入力２出力のセレクタスイッチとして機能する。
【0124】
ここで、上記シンセサイザ回路５３とスイッチ回路５４の間にアイソレータ５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄを挿入して、上記シンセサイザ回路５３からアイソレータ５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄを介してスイッチ回路５４に周波数信号を入力することにより、スイッチ回路５４以降の回路の遮断や解放などによる負荷変動で信号源の動作が不安定になるのを防止することができる。
【0125】
上記記アイソレータ５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７には、リバースアイソレーションが大きいマイクロ波増幅器、パイ型抵抗減衰器や抵抗減衰器、フェライトを用いたマイクロ波アイソレータなどのアイソレーション素子や、可変減衰器と帯域通過フィルタとを組み合わせたアイソレーション回路やアイソレーション増幅器と抵抗減衰器や帯域通過フィルタとを組み合わせたアイソレーション回路など用いることができる。
【0126】
そして、上記第１，第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂは、上記第１の発振器１３から供給される周波数Ｆ０（例えば、２４ＧＨｚ）の周波数信号と、上記スイッチ回路５４から巡回的に切り替えて交互に出力される１ＧＨｚ帯の４種類の周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の周波数信号から、上記スイッチ回路５４により巡回的に切り替えられた上記１ＧＨｚ帯の４種類の周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の周波数信号を２５ＧＨｚ帯域の４種類の変調周波数Ｆｍ１，Ｆｍ２，Ｆｍ３，Ｆｍ４に周波数変換した第１、第２の変調信号Ｆｍａ、Ｆｍｂを得て、上記第１、第２の光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに駆動信号として供給する。
【0127】
すなわち、上記第１，第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂは、１ＧＨｚ帯の周波数信号を上記第１、第２の光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに駆動信号として供給する２５ＧＨｚ帯域の第１、第２の変調信号Ｆｍａ，Ｆｍｂに周波数変換するアップコンバータとして機能する。
【0128】
ここで、この低相対位相雑音光コム発生装置５０は、特許文献１，２等に記載されている光コム距離計や三次元形状測定機において周波数の切り替えを要する絶対距離測定を行うための基準光パルスと測定光パルスとして２種類の光コムを発生するものであって、上記１ＧＨｚ帯の４種類の周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の周波数信号を上記スイッチ回路５４により巡回的に切り替えて上記第１，第２の周波数変換器１４Ａ，１４Ｂにより２５ＧＨｚ帯域の４種類の変調周波数Ｆｍ１，Ｆｍ２，Ｆｍ３，Ｆｍ４にアップコンバートして得られる第１、第２の変調信号Ｆｍａ，Ｆｍｂを上記第１、第２の光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに駆動信号として供給することにより、上記第１、第２の光コム発生器１５Ａ，１５Ｂから、表１に示すように、変調周期が循回的に切り替えられた互いに変調周期が異なる２種類の光コムが出力される。
【表1】
【0129】
表１は、＃１～４の設定における第１，第２の光コム発生器１５Ａ，１５Ｂの駆動信号の遷移状態ＯＦＣＧ１／ＯＦＣＧ２と位相差を示しており、駆動信号の周波数は、Δｆ＝５００ｋＨｚ、Δｆｍ＝１０ＭＨｚ、ｆｍ＝Ｆｍ１（２５０００ＭＨｚ）、ｆｍ＋Δｆｍ＝Ｆｍ２（２５０１０ＭＨｚ）、ｆｍ＋Δｆ＝Ｆｍ３（２５０００．５ＭＨｚ）、ｆｍ＋Δｆｍ＋Δｆ＝Ｆｍ４（２５０１０．５ＭＨｚ）となっている。図7は、この低相対位相雑音光コム発生装置５０において、２つ光コム発生器１５Ａ，１５Ｂに供給される駆動信号の状態遷移を示す状態遷移図である。
【0130】
ここで、光コム距離計では、原理的に周波数が異なる２種類の変調信号により駆動される２つの光コム発生器からパルス出射される干渉性のある基準光パルスと測定光パルスを用いることにより、信号処理部において、基準光検出器により得られる干渉信号（以下、参照信号と言う。）測定光検出器により得られる干渉信号（以下、測定信号と言う。）について周波数解析を行い、光コムの中心周波数から数えたモード番号をＮとして、参照信号と測定信号のＮ次モード同士の位相差を計算して光コム発生器から基準点までの光コム生成、伝送過程の光位相差を相殺した後、周波数軸で次数１あたりの位相差の増分を計算して信号パルスの位相差を求めることにより、基準点から測定面までの距離を算出する。
【0131】
なお、測定距離が変調周波数ｆｍの半波長を超えると物体光の周期性によりその半波長の整数倍の距離が不明となって一義的に距離を求められないので、表１に示す４通りの変調周波数に設定した基準光パルスと測定光パルスを用いて４回測定して、信号処理部において、同じ処理を行うことにより得られる各位相差を用いて、半波長相当の多義性距離（Ｌａ＝ｃ／２ｆｍ ｃ：光速）を超える距離を算出する。
【0132】
すなわち、表１に示す４通りの変調周波数に設定して測定して得られる参照信号と測定信号の位相差は、２つの光コム発生器（ＯＦＣＧ１，ＯＦＣＧ２）を駆動する変調信号の変調周波数がｆｍとｆｍ＋Δｆである＃１の設定では－２πｆｍＴとなり、変調信号の変調周波数がｆｍ＋Δｆｍとｆｍ＋Δｆｍ＋Δｆである＃２の設定では－２π（ｆｍ＋Δｆｍ）Ｔとなり、変調信号の変調周波数がｆｍ＋ｆｍとｆｍである＃３の設定では－２π（ｆｍ＋Δｆ）Ｔとなり、変調信号の変調周波数がｆｍ＋Δｆｍ＋Δｆとｆｍ＋Δｆｍである＃４の設定では－２π（ｆｍ＋Δｆｍ＋Δｆ）Ｔとなる。
【0133】
距離（Ｌａ＝ｃ／２ｆｍ ｃ：光速）も長い場合、参照信号と測定信号の位相差（－２πｆｍＴ）は、ｍを整数としてφ＋２ｍπの形であり、計算によりφの部分だけが求められるが、整数値ｍは不明である。
【0134】
一方、＃１の設定での参照信号と測定信号の位相差－２πｆｍＴと＃２の設定での参照信号と測定信号の位相差－２π（ｆｍ＋Δｆｍ）Ｔの差は２πΔｆｍＴであり、また、＃３の設定での参照信号と測定信号の位相差－２π（ｆｍ＋Δｆ）Ｔと＃４の設定での参照信号と測定信号の位相差－２π（ｆｍ＋Δｆｍ＋Δｆ）Ｔの差は２πΔｆｍＴであり、１／Δｆｍの波長に相当する距離（Δｆｍ＝１０ＭＨｚであればＬａは１５ｍ）までならば、一義的に位相が決まる。
【0135】
そして、この位相をｆｍ／Δｆｍ倍して＃１の位相差との比較により整数ｍを判定することができる。
【0136】
さらに、表１の＃１の設定での位相差－２πｆｍＴと＃３の設定での位相差－２π（ｆｍ＋Δｆ）Ｔの差から２πΔｆが得られる。
【0137】
ここで、ｆｍ＝２５ＧＨｚ、Δｆ＝５００ｋＨｚ、Δｆｍ＝１０ＭＨｚとした場合、Δｆ＝５００ｋＨｚであるからＬａ＝３００ｍまでの距離計測を行うことができる。
【0138】
この低相対位相雑音光コム発生装置５０を搭載した光コム距離計では、表１に示す４通りの変調周波数に設定して測定して得られる参照信号と測定信号を用いて絶対距離計測が行われる。すなわち、１つの状態を一定時間保持した後に他の状態に移り、一定の区間でその状態の信号位相計測を行い、＃１、＃２、＃３、＃４の設定状態の位相を使って絶対距離の計算処理を実行する。
【0139】
光コム距離計における計測速度は、６ｍｍ以内の相対距離測定ではΔｆに等しく５００ｋＨｚであるのに対し、周波数の切り替えを要する絶対距離測定では、周波数の切り替え時間と絶対距離計算時間を含めたものとなる。
【0140】
上記低相対位相雑音光コム発生装置５０では、上記シンセサイザ回路５３と上記スイッチ回路５４の間にアイソレータ５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄが挿入されているので、上記４種類の周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の周波数信号を上記スイッチ回路５４により巡回的に切り替えた瞬間における負荷変動により上記シンセサイザ回路５３の動作が不安定になることがなく、光コム発生器１５Ａ，１５Ｂの駆動信号を迅速に切り替えて駆動状態を遷移させることができる。すなわち、上記スイッチ回路５４により、上記４種類の変調周波数Ｆｍ１，Ｆｍ２，Ｆｍ３，Ｆｍ４を巡回的に切り替えて、第１，第２の光コム発生器１５Ａ，１５Ｂの駆動状態を迅速に遷移させることができ、参照信号と測定信号の変調周波数を切り替えて絶対距離計測を行う２つの光コム光源として用いることにより、絶対距離の測定時間を短縮することができる。
【0141】
なお、距離計測だけであれば、＃１と＃２の設定のみ、あるいは、＃３と＃４の設定のみでも可能であるが、上述のごとく＃１，＃２，＃３，＃４の設定、すなわち、上記４種類の変調周波数Ｆｍ１，Ｆｍ２，Ｆｍ３，Ｆｍ４を上記スイッチ回路５４により巡回的に切り替えることにより、測定対象以外の信号伝送経路による位相オフセットを補正して高精度に絶対距離結果を得ることができる。すなわち、２つの光コム発生器（ＯＦＣＧ１，ＯＦＣＧ２）の変調周波数を入れ替えたときに測定対象距離に由来の位相は絶対値が変わらず符号が反転する。一方、干渉信号伝送路のケーブル長さに由来するオフセットは符号が変わらず一定値になる。したがって、２回の位相測定の結果を差し引いて２で割るとオフセットを除外した位相値を求めることができる。
【符号の説明】
【0142】
１０，２０，３０，４０，５０ 低相対位相雑音光コム発生装置、１１ 基準発振器、１２Ａ ，１２Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，３２，４４，５２ パワーデバイダ、１３，１３Ａ，１３Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ，３３，３３Ａ，３３Ｂ，４３，４３Ａ，４３Ｂ，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ 発振器、１４，１４Ａ，１４Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ，１４３ 周波数変換器、１５Ａ，１５Ｂ 光コム発生器、１６Ａ，１６Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ 帯域通過フィルタ、１７Ａ，１７Ｂ ５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄ アイソレータ、５３ シンセサイザ回路、５４ スイッチ回路、１４１ 位相比較器、１４２ 電圧制御型発振器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【手続補正書】
【提出日】2021-08-05
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに周波数の異なる周波数信号を発生する少なくとも３つの発振器と、
上記３つの発振器の内の１の発振器により得られる周波数信号と、上記１の発振器以外の各発振器により得られる各周波数信号が入力される少なくとも２つの周波数変換器と、
上記少なくとも２つの周波数変換器により周波数変換された互いに周波数の異なる少なくとも２種類の変調信号が供給される少なくとも２つの光コム発生器と
を備え、
上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ上記１の発振器による周波数信号と他の発振器による周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号として相対位相雑音を低減した上記少なくとも２種類の変調信号を駆動信号として少なくとも２つの光コム発生器に供給することを特徴とする低相対位相雑音光コム発生装置。
上記３つの発振器の内の１の発振器により得られる周波数信号と、上記１の発振器以外の各発振器により得られる各周波数信号が入力される少なくとも２つの周波数変換器と、
上記少なくとも２つの周波数変換器により周波数変換された互いに周波数の異なる少なくとも２種類の変調信号が供給される少なくとも２つの光コム発生器と
を備え、
上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ上記１の発振器による周波数信号と他の発振器による周波数信号との和周波数信号又は差周波数信号として相対位相雑音を低減した上記少なくとも２種類の変調信号を駆動信号として少なくとも２つの光コム発生器に供給することを特徴とする低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項2】
上記少なくとも３つの発振器の内の上記１の発振器以外の各発振器は、上記１の発振器よりも位相雑音が小さいものであることを特徴する請求項１に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項3】
上記少なくとも３つの発振器は、基準発振器により与えられる基準周波数信号に位相同期された互いに周波数の異なる周波数信号を発生することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項4】
上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ周波数混合器であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項5】
上記少なくとも２つの周波数変換器は、それぞれ周波数混合器と位相比較器と電圧制御型発振器からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項6】
上記少なくとも２つの光コム発生器には、上記少なくとも２つの周波数変換器から変調信号がそれぞれ帯域通過フィルタを介して駆動信号として供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項7】
上記少なくとも２つの周波数変換器には、上記１の発振器により得られる周波数信号がそれぞれアイソレータを介して入力されることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項8】
上記少なくとも３つの発振器は、それぞれＰＬＬ回路により基準の周波数信号に位相同期された周波数が固定された状態の少なくとも３種類の変調信号を発生することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項9】
上記少なくとも３つの発振器の内の上記１の発振器以外の各発振器は、上記基準周波数信号に位相同期されたクロックにより駆動される各ディジタル直接合成発振器（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）であることを特徴とする請求項３に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項10】
上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する３つの発振器と、２つの周波数変換器と、２つの光コム発生器を備え、
上記２つの周波数変換器により得られる相対位相雑音を低減した２種類の変調信号を駆動信号として上記２つの光コム発生器に供給することを特徴とする請求項３に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
上記２つの周波数変換器により得られる相対位相雑音を低減した２種類の変調信号を駆動信号として上記２つの光コム発生器に供給することを特徴とする請求項３に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
【請求項11】
Ｘを１以上の整数、Ｙを２以上の整数として、
上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する（Ｘ＋Ｙ）個の発振器と、ＸＹ個の周波数変換器と、Ｙ個の光コム発生器を備え、
（Ｙ＋１）個の発振器とＹ個の周波数変換器とＹ個の光コム発生器とで構成される基本構成をＸ重化してなることを特徴とることを特徴とする請求項３に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。
上記基準周波数信号に位相同期して互いに周波数の異なる周波数信号を発生する（Ｘ＋Ｙ）個の発振器と、ＸＹ個の周波数変換器と、Ｙ個の光コム発生器を備え、
（Ｙ＋１）個の発振器とＹ個の周波数変換器とＹ個の光コム発生器とで構成される基本構成をＸ重化してなることを特徴とることを特徴とする請求項３に記載の低相対位相雑音光コム発生装置。