特開 2023-119469 非接触型測距装置及び方法

(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】P2023119469

(43)【公開日】2023-08-28

(54)【発明の名称】非接触型測距装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02 20220101AFI20230821BHJP

【ＦＩ】

G01B9/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022022391

(22)【出願日】2022-02-16

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504155293

【氏名又は名称】国立大学法人島根大学

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】中村 篤志

(72)【発明者】

【氏名】岡本 達也

(72)【発明者】

【氏名】古敷谷 優介

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 文彦

(72)【発明者】

【氏名】張 超

【テーマコード（参考）】

2F064

【Ｆターム（参考）】

2F064AA01

2F064CC04

2F064EE01

2F064FF08

2F064GG02

2F064GG24

(57)【要約】

【課題】本開示では、単一光源を用いる簡便な測距装置において、周波数の掃引速度を低下させることなく測定距離の延長を実現することを目的とする。
【解決手段】本開示は、周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、前記参照光又は前記プローブ光が入射され、入射された光を異なる複数の周波数の光に複製する光複製部と、前記複数の周波数の光及び前記複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記光複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出する主干渉計と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、
前記参照光又は前記プローブ光が入射され、入射された光を異なる複数の周波数の光に複製する光複製部と、
前記複数の周波数の光及び前記光複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記光複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出する主干渉計と、
を備える非接触型測距装置。

【請求項2】

前記周波数掃引光の一部を２分岐するカプラと、
前記カプラで２分岐された前記周波数掃引光の一部の一方に、前記周波数掃引光のコヒーレンス時間よりも短い遅延時間τ_ａｕｘの遅延を発生させる遅延器と、
前記遅延器で遅延させた前記一方と前記カプラで２分岐された前記周波数掃引光の一部の他方との干渉によるビート信号の位相Ｘ（ｔ）を取得する補助干渉計と、をさらに備え、
前記補助干渉計により取得されたビート信号の前記位相Ｘ（ｔ）、整数Ｎ及び式（Ｃ１）を用いて、前記参照光と前記プローブ光との光経路差に相当する前記プローブ光の前記参照光に対する遅延時間τにおける前記周波数掃引光の位相Ｘ_Ｎ（τ）を求め、前記主干渉計で得られた最小のビート周波数における前記周波数掃引光の非線形性を補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触型測距装置。

【数C1】

【請求項3】

前記遅延時間τをあらかじめ推定し、式（Ｃ２）を満足する前記整数Ｎを用いる
ことを特徴とする請求項２に記載の非接触型測距装置。
（数Ｃ２）
τ≒Ｎτ_ａｕｘ （Ｃ２）

【請求項4】

前記光複製部は、前記複数の周波数の光として、前記周波数掃引光の周波数掃引幅よりも広い周波数範囲の光周波数コムを生成する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の非接触型測距装置。

【請求項5】

周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距方法において、
前記参照光又は前記プローブ光を異なる複数の周波数の光に複製すること、
前記複数の周波数の光及び複製されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記複製されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出すること、
を行う非接触型測距方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、周波数掃引光を用いた非接触型測距装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

正確な測距技術は大規模構造物の形状測定のような計測において重要な技術である。このような応用は多数存在し、パラボラアンテナや建築物のような人工物の形状測定、氷床の厚み計測や森林の高さ測定に代表される自然形成物の測定、等がある。特に、建物等のヘルスモニタリングや防災を目的とした大規模構造物の計測では、遠方の測定物の位置や形状を高精細に測定する需要が存在する。

【0003】

ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：光による検知と測距）は、レーザ光を使って被測定物までの光路長を計測する非接触型測距技術である。このような技術において、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）型ＬｉＤＡＲは単一光源で測距を行い、速度・振動検知の能力がある。ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、光周波数を掃引し、戻り光との干渉により生じる周波数差（ビート周波数、ＩＦ）を距離に換算する。１００ｎｍの掃引帯域を有する光源を用いれば約１２μｍの分解能が実現できる。

【0004】

しかしながら、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、測定距離は光源のコヒーレンス長により数十ｍに限定されている。また、得られるビート周波数が受信帯域を上回る計測はできない。これは、受信帯域が一定である限り、周波数の掃引速度と測定距離の積に上限が生じることを意味する。すなわち、受信帯域が一定ならば、測定距離又は周波数の掃引速度のいずれかを犠牲にしなければならないという課題がある。なお、測定の繰り返し周波数（リフレッシュレート）は周波数の掃引速度に比例するため、周波数の掃引速度を犠牲にすることは、リフレッシュレートを犠牲することになる。以上２つの要因により、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲは専ら数十ｍ程度以内の比較的短距離の測距に限定されていた。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ． “Ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ ｆｏｒｍａｌｉｓｍ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｆｌａｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，” ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ． ３２， Ｎｏ． １１ ｐ．１５１５ Ｊｕｎｅ １， ２００７

【非特許文献2】Ｆ． Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．， “Ｌｏｎｇ－Ｒａｎｇｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ＯＦＤＲ ｗｉｔｈ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｐｈａｓｅ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，” ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， ＶＯＬ． ３０， ＮＯ． ８， ｐｐ． １０１５－１０２４， ＡＰＲＩＬ １５， ２０１２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

前記課題を解決するために、本開示は、単一光源を用いる簡便な測距装置において、周波数の掃引速度を低下させることなく測定距離の延長を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本開示は、参照光又はプローブ光の一方から複数の周波数の光を複製し、複製した複数の周波数の光と参照光又はプローブ光の他方とを干渉させる。

【0008】

具体的には、本開示に係る非接触型測距装置は、
周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、
前記参照光又は前記プローブ光が入射され、入射された光を異なる複数の周波数の光に複製する光複製部と、
前記複数の周波数の光及び前記複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記光複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出する主干渉計と、
を備える。

【0009】

具体的には、本開示に係る非接触型測距方法は、
周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距方法において、
前記参照光又は前記プローブ光を異なる複数の周波数の光に複製すること、
前記複数の周波数の光及び複製されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記複製されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出すること、
を行う。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、単一光源を用いる簡便な測距装置において、周波数の掃引速度を低下させることなく測定距離の延長を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態１に係る非接触型測距装置の構成の一例を示す図である。

【図2】従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲにおける参照光及びプローブ光の周波数並びに干渉信号スペクトルを説明する図である。

【図3】実施形態１に係る非接触型測距装置における参照光及びプローブ光の周波数を説明する図である。

【図4】実施形態１に係る非接触型測距装置における干渉信号スペクトルを説明する図である。

【図5】実施形態１に係る非接触型測距装置における参照光及びプローブ光の周波数を説明する図である。

【図6】実施形態１に係る非接触型測距装置における参照光及びプローブ光の周波数を説明する図である。

【図7】実施形態２に係る非接触型測距装置の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

【0013】

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１にＦＷＣＷ型ＬｉＤＡＲ方式をベースとした本開示の実施形態を示す。１は周波数掃引光源、２は光を分波または合波するカプラ、３は光サーキュレータ、４はレンズ、５は被測定物、６は遅延器、７は光周波数コム発生器、８は光９０度ハイブリッド、９はバランス型フォトデテクタ、１０はＡＤコンバータ、１１はコンピュータ等の演算部、１２はＲＦシンセサイザである。

【0014】

光周波数コム発生器７は本開示の光複製部として機能する。光９０度ハイブリッド８、バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２、ＡＤコンバータ１０－１は、本開示の光検出部として機能する主干渉計２０を構成する。以下、「光検出部の受信帯域」を「受信帯域」と略記する。

【0015】

周波数掃引光源１は、周波数が線形に変調されたレーザ光を発振する。その周波数は、一定の掃引速度γ［Ｈｚ／ｓ］で、一定の周波数掃引時間ΔＴに、周波数掃引幅ΔＦにわたり掃引される。本実施形態では、周波数掃引光源１から出力される光をレーザ光として説明するが、コヒーレント光であればこれに限定されない。

【0016】

カプラ２－１は、周波数掃引光源１から入力された光を２つに分岐し、一方をプローブ光として光サーキュレータ３に入力し、他方を参照光として光周波数コム発生器７に入力する。光サーキュレータ３は、カプラ２－１からのプローブ光をレンズ４に入力する。また、光サーキュレータ３は、レンズ４からの光を光９０度ハイブリッド８に入力する。レンズ４は、周波数掃引光源１からのプローブ光を平面波に変換する。また、レンズ４は、被測定物５からの反射されたプローブ光を集光して光サーキュレータ３に入力する。

【0017】

光周波数コム発生器７は、入力された光に対して高次の変調側波帯を発生させるものである。光周波数コム発生器７の具体的な構成としては、例えば非特許文献１に記載がある。本実施形態では、一例として、アンプ１３を介したＲＦシンセサイザ１２の信号が光周波数コム発生器７に入力され、光周波数コム発生器７がＲＦシンセサイザ１２からの信号に応じた周波数間隔で光周波数コムを発生させる例を示す。

【0018】

光周波数コム発生器７は、カプラ２－１から入力された参照光の周波数を含み、複数の異なる周波数で構成される光周波数コムを生成する。光周波数コム発生器７は、生成した光周波数コムを、主干渉計２０の参照光として光９０度ハイブリッド８に入力する。被測定物５により反射されたプローブ光は、レーザ光（参照光）と光９０度ハイブリッド８において干渉する（主干渉計）。主干渉計２０では、被測定物５から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間を測定することができる。演算部１１は、この遅延時間を用いて測距を行う。図１では、演算部１１を主干渉計２０に含まれる構成としているが、主干渉計２０と演算部１１は別々でもよい。

【0019】

具体的には、光９０度ハイブリッド８は、参照光と被測定物５からの反射光とを合波したビート信号の同相成分Ｉを生成し、バランス型フォトデテクタ９－１に入力する。また、光９０度ハイブリッド８は、９０度位相シフトさせた参照光と被測定物からの反射光とを合波したビート信号の直交成分Ｑを生成し、バランス型フォトデテクタ９－２に入力する。

【0020】

バランス型フォトデテクタ９－１は、光９０度ハイブリッド８からの入力に基づき、ビート信号の同相成分Ｉのアナログ電気信号を取得し、ＡＤコンバータ１０－１に入力する。バランス型フォトデテクタ９－２は、光９０度ハイブリッド８からの入力に基づき、ビート信号の直交成分Ｑのアナログ電気信号を取得し、ＡＤコンバータ１０－１に入力する。ＡＤコンバータ１０－１は、カプラ９－１から入力されるビート信号の同相成分Ｉのアナログ電気信号及びカプラ９－２から入力されるビート信号の直交成分Ｑのアナログ電気信号をデジタル信号に変換し、演算部１１に入力する。

【0021】

ここで、光周波数コム発生器７を備えない従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲにおける参照光とプローブ光の干渉について図２を用いて説明する。すなわち、従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲは、図１の主干渉計において、カプラ２－１からの参照光が光９０度ハイブリッド８に直接入力される構成である。従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、カプラ２－１からの参照光と、参照光に対して被測定物５までの距離を往復した分だけ遅延したプローブ光とが到着し、その周波数差に相当する周波数を持つビート信号が発生する。以下、ビート信号の周波数をビート周波数ＩＦとする。このビート周波数ＩＦは、被測定物５から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間に比例するため、測距ができる。

【0022】

ビート信号は、具体的には、光９０度ハイブリッド８から出力されるビート信号のＩ相成分およびＱ相成分を用いて複素数表示で式（１）のように表される。
（数１）
Ｉ＋ｊＱ＝ｅｘｐ（ｊγτｔ） （１）

【0023】

演算部１１は、ＡＤコンバータ１０－１から入力されるハイブリッド信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑに基づき、式（１）からビート信号の位相を求める。ここで、τは、参照光とプローブ光との光経路差に相当するプローブ光の参照光に対する遅延時間であり、γτがビート周波数ＩＦである。

【0024】

一般に、ＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲの距離分解能Δｚは、周波数掃引幅ΔＦを用いて以下のように表される。
（数２）
Δｚ＝ｃ／（２ΔＦ） （２）

【0025】

つまり、距離分解能Δｚを向上するには、周波数掃引幅ΔＦを大きくする必要がある。かつ、ビート周波数ＩＦは被測定物５までの距離により変動する遅延時間τと掃引速度γに比例する。そのため、仮に受信帯域が一定であるならば、掃引速度γと距離との積に対して限界が生じることになる。具体的には、従来のＦＭＣＷ型ＬｉＤＡＲでは、図２（Ｂ）に示すように、ビート周波数ＩＦが受信帯域外となるビート信号は検知できず、受信帯域による測定距離の限界が生じる。なお、繰り返し周波数（リフレッシュレート）は、掃引速度γに比例するため、掃引速度γが制限されれば、リフレッシュレートも制限されることになる。

【0026】

本開示では、この受信帯域による測定距離の限界を排除するため、参照光経路に、すなわち、カプラ２－１と光９０度ハイブリッド８との間に、前述した光周波数コム発生器７を導入する。

【0027】

図３に、光周波数コム発生器７で生成される光周波数コムの一例を示す。本実施形態に係る光周波数コム発生器７は、カプラ２－１から入力された参照光の周波数を含み、複数の異なる周波数で構成される光周波数コムを生成する。図３に示す光周波数コムでは、理解が容易になるように、参照光Ｌ_ｒｅｆ１が周波数掃引光源１が周波数を掃引するレーザ光に相当し、各時刻において、参照光Ｌ_ｒｅｆ１を中心に両側に等間隔に離れた周波数を２つずつ含む計５つの周波数で構成される例を示す。

【0028】

本実施形態に係る光周波数コムは一例であり、周波数の数はこれに限定されない。また、光周波数コムの周波数間隔は等間隔ではなく、異なっていてもよい。なお、図３に示す数程度の複数の周波数を含む光周波数コムの生成を行う光複製部には、光周波数コム発生器７に限らず、入力された光に対して側波帯を発生させうる任意の手段を採用し得る。

【0029】

本実施形態では、カプラ２－１から入力された参照光が周波数掃引光源１によって線形に掃引されるため、光周波数コムも線形に掃引される。これにより、本開示におけるカプラ２－１からの参照光は、図３に示す周波数掃引された光周波数コムとなって光９０度ハイブリッド８に入射する。

【0030】

図４に、本実施形態の主干渉計２０が検出するビート周波数の一例を示す。時刻τにおける光周波数コムを構成する参照光Ｌ_ｒｅｆ１～Ｌ_ｒｅｆ５とプローブ光Ｌ_ｐとのビート周波数ＩＦ１～ＩＦ５について示す。ビート周波数ＩＦ１は、プローブ光Ｌ_ｐと参照光Ｌ_ｒｅｆ１との間のビート周波数である。ビート周波数ＩＦ２は、プローブ光Ｌ_ｐと参照光Ｌ_ｒｅｆ２との間のビート周波数である。ビート周波数ＩＦ３は、プローブ光Ｌ_ｐと参照光Ｌ_ｒｅｆ３との間のビート周波数である。ビート周波数ＩＦ４は、プローブ光Ｌ_ｐと参照光Ｌ_ｒｅｆ４との間のビート周波数である。ビート周波数ＩＦ５は、プローブ光Ｌ_ｐと参照光Ｌ_ｒｅｆ５との間のビート周波数である。

【0031】

図４に示すように、被測定物５までの伝搬により遅延を受けたプローブ光は、光周波数コムを構成する参照光のすべてと干渉し、ビート周波数ＩＦ１～ＩＦ５のビート信号が発生する。本開示では、バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２などの受信帯域が、観測されるビート周波数を、プローブ光と、その最も近い周波数の参照光Ｌ_ｒｅｆ２との干渉により得られるビート周波数ＩＦ２のみにする。

【0032】

ここで、周波数が等間隔である図５に示す光周波数コムの周波数間隔をΔｆとすると最小のビート周波数はΔｆ／２以下となる。そのため、主干渉計２０は少なくともΔｆ／２以下を受信帯域とすることが望ましい。図５に示すように光周波数コムの周波数間隔Δｆを狭めると、最小のビート周波数の最大値Δｆ／２が低くなるので、受信帯域が狭い主干渉計２０でも最小のビート周波数を検出可能となる。なお、周波数間隔が等間隔ではない光周波数コムの場合は、周波数間隔が最大の周波数間隔をΔｆとすれば等間隔の場合と同様に説明できる。

【0033】

図５では、参照光及びプローブ光の一部分を記載しているだけであり、参照光及びプローブ光はさらに高い周波数帯域側にも線形に掃引されているものとする。光周波数コム発生器７において周波数掃引光源１の周波数掃引幅ΔＦよりも十分に広い周波数帯域の光周波数コムを発生すれば、被測定物５が遠方にある場合でも、バランス型フォトデテクタ９－１及び９－２などの受信帯域を拡張することなく、いずれかの光周波数コム成分との干渉を観測することができる。このとき、どの周波数成分と干渉したかはわからないので、測距結果には周期的な曖昧さが残ることになるが、これは事前の粗測定により排除することができる。

【0034】

なお、上記構成において光周波数コム発生器７は主干渉計２０手前のプローブ光経路、すなわち、光サーキュレータ３と光９０度ハイブリッド８との間に配置してもよい。この場合、光周波数コム発生器７には、被測定物５で反射されたプローブ光が入力される。そのため、図６に示すように、光周波数コム発生器７は、被測定物５で反射されたプローブ光の周波数を含み、複数の異なる周波数で構成される光周波数コムを生成することになる。一方で、参照光は１つの光となる。この場合において、プローブ光に基づく光周波数コムのうち、参照光の周波数と最も近い周波数の光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することで、図１に示す構成と同様の効果を得ることができる。

【0035】

以上のように、光周波数コム発生器７の導入により、周波数の掃引速度を低下させることなく、受信帯域による測定距離の限界を排除することができる。

【0036】

（実施形態２）
図７に、ＦＷＣＷ型ＬｉＤＡＲ方式をベースとした本開示の実施形態を示す。一般に周波数掃引光源は、その周波数掃引のトレースは完全に線形ではなく、一定レベルの不完全さ（非線形性）をもつ。この非線形性は、掃引速度γの揺らぎを意味するから、一定距離からのビート周波数が揺らぐことになり、式（２）で与えられた理論的な距離分解能は得られなくなる。

【0037】

そこで、この問題を解決するために、本実施形態に係る非接触型測距装置では、補助干渉計２１をさらに備える。補助干渉計２１は、カプラ２－４、バランス型フォトデテクタ９－３、ＡＤコンバータ１０－２及び演算部１１を備える。補助干渉計２１は、遅延なしの光と遅延器６による遅延時間τ_ａｕｘだけ遅延させた光との干渉によるビート信号の位相を取得する干渉計である。補助干渉計２１でのビート信号は遅延時間τ_ａｕｘに相当する距離にある被測定物５から反射されたプローブ光に基づくビート信号と同一である。

【0038】

カプラ２－２は、周波数掃引光源１からのレーザ光を２分岐し、一方を主干渉計２０用の光としてカプラ２－１に入力し、他方を補助干渉計２１用のカプラ２－３に入力する。これにより、周波数掃引光の一部が取り出される。なお、カプラ２－１は、カプラ２－２から入力された光に対して実施形態１と同様の動作を行う。

【0039】

補助干渉計２１では、カプラ２－３は、カプラ２－２から入力された光を２つに分岐し、一方をカプラ２－４に入力し、遅延器６に入力する。遅延器６は、カプラ２－３から入力された光に遅延時間τ_ａｕｘの遅延を発生させてカプラ２－４に入力する。カプラ２－４は、カプラ２－３から直接入力された光及び遅延器６から入力された光を合波してビート信号を生成し、さらにビート信号を２つに分岐してバランス型フォトデテクタ９－３に入力する。バランス型フォトデテクタ９－３は、カプラ２－４からのビート信号をアナログ電気信号として取得し、ＡＤコンバータ１０－２に入力する。ＡＤコンバータ１０－２は、カプラ９－３から入力されるビート信号をデジタル信号に変換し、演算部１１に入力する。

【0040】

補助干渉計２１のビート信号の周波数で主干渉計２０のビート信号を、補助干渉計２１のビート信号を用いて“リサンプリング”することにより、光源の周波数掃引の非線形性を除去することができる。

【0041】

しかし、この方法は、補助干渉計の遅延時間τ_ａｕｘに相当する測定距離付近でしか通用しない。すなわち、周波数掃引光源１からのレーザ光の位相は、コヒーレンス時間と呼ばれる個々の周波数掃引光源１に固有の時間においてのみ相関的であり、その時間を経過すると位相の相関は消失する。このことは、被測定物５までの距離（遅延時間）が、補助干渉計の遅延時間τ_ａｕｘとコヒーレンス時間以上に異なってしまうと、補助干渉計２１のビート周波数と主干渉計２０のビート周波数はもはや相関を持たなくなり、機能しなくなってしまう。

【0042】

そこで、本開示の第２のポイントとして、演算部１１は、位相雑音補償アルゴリズムを内蔵する。この位相雑音補償アルゴリズムの原理は、非特許文献２に記載されている。演算部１１は、非特許文献２で開示された方法に従ってもよい。すなわち、演算部１１は、図７のＡＤコンバータ１０－２から入力されたビート信号を取得し、遅延時間τ_ａｕｘ毎の補助干渉計２１のビート信号の位相Ｘ（ｔ）を取得する。演算部１１は、補助干渉計２１のビート信号の位相Ｘ（ｔ）を用いて、式（３）に示す位相Ｘ_Ｎ（τ）を計算する。

【数3】

【0043】

ここで、Ｎは正の整数である。τは前述した遅延時間である。τ≒Ｎτ_ａｕｘが成立する。また、遅延時間τはレーザ光のコヒーレンス時間を超えてもよい。非特許文献２に記載されているように、時間τ_ａｕｘがレーザ光のコヒーレンス時間よりも短い場合には、遅延時間τを遅延時間τ_ａｕｘの整数Ｎ倍とし、遅延時間τにおける主干渉計２０のビート信号の位相を式（３）で計算できる。したがって、位相Ｘ_Ｎ（τ）が一定値増加するごとに主干渉計２０の信号をリサンプリングすれば、レーザ光のコヒーレンス時間を超える時間Ｎτ_ａｕｘ近傍の遅延時間τに相当する距離の測定が可能となる。その結果、前述のコヒーレンス時間の有限性の課題を克服することができる。また、非特許文献２に記載されているように、式（３）の位相Ｘ_Ｎ（τ）は遅延時間τにおけるレーザ光の位相にも相当する。そのため、式（３）を用いれば、レーザ光の周波数掃引の非線形性を補正することができ、式（２）の分解能も実現することができる。前述したように、補助干渉計の遅延時間τ_ａｕｘは使用する周波数掃引光源１のコヒーレンス時間よりも短く設定する必要がある。

【0044】

本発明は、次に示す手順により、この位相雑音補償アルゴリズムを測距に適用する手法を開示する。まず、被測定物５までの距離を、補助干渉計の遅延τ_ａｕｘよりも高い精度で推定する。一般的に、周波数掃引光源のコヒーレンス長は数十ｍ程度であり、遅延τ_ａｕｘも同程度のオーダーであるので、この推定は容易である。例えば、パルス法など公知の方法により、おおよその距離を事前に把握しておけばよい。

【0045】

次に、推定距離Ｌにある被測定物５から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間をτとして、式（４）を満足する整数Ｍを求める。
（数４）
τ≒Ｍτ_ｒｅｆ （４）

【0046】

さらに、式（３）を用いて位相Ｘ_Ｍ（τ）を計算し、これを用いてレーザ光の周波数掃引の非線形性を補正する。これにより、式（２）の原理的には理論分解能を達成することができる。

【0047】

なお、本実施形態に係る主干渉計２０では、光９０度ハイブリッド８を用いてハードウェアベースで処理する構成としたが、ヒルベルト変換を用いてソフトウェアベースで処理してもよい。また、本実施形態に係る補助干渉計２０では、ヒルベルト変換を用いてソフトウェアベースで処理する構成としたが、光９０度ハイブリッド８を用いてハードウェアベースで処理してもよい。

【0048】

本実施形態に係る演算部１１はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本開示に係る非接触型測距装置及び方法は、情報通信産業に適用することができる。

【符号の説明】

【0050】

１：周波数掃引光源
２：カプラ
３：光サーキュレータ
４：レンズ
５：被測定物
６：遅延器
７：光周波数コム発生器
８：光９０度ハイブリッド
９：バランス型フォトデテクタ
１０：ＡＤコンバータ
１１：演算部
１２：ＲＦシンセサイザ
１３：アンプ
２０：主干渉計
２１：補助干渉計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】