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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】P2023171464
(43)【公開日】2023-12-01
(54)【発明の名称】測定装置および測定方法
(51)【国際特許分類】
G01S 17/34 20200101AFI20231124BHJP
G02F 1/01 20060101ALI20231124BHJP
G01S 7/4911 20200101ALI20231124BHJP
G01S 7/481 20060101ALI20231124BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20231124BHJP
【ＦＩ】
G01S17/34
G02F1/01 F
G01S7/4911
G01S7/481 A
G01C3/06 120Q
【審査請求】有
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023171567
(22)【出願日】2023-10-02
(62)【分割の表示】P 2019228280の分割
【原出願日】2019-12-18
(71)【出願人】
【識別番号】000137694
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
(71)【出願人】
【識別番号】319016460
【氏名又は名称】株式会社３Ｄイノベーション
(74)【代理人】
【識別番号】110004222
【氏名又は名称】弁理士法人創光国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小松崎 晋路
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼橋 智隆
(72)【発明者】
【氏名】氏原 大希
(57)【要約】
【課題】周波数シフト帰還レーザの周波数をシフトさせるシフト量および／またはシフト方向を容易に変更できるようにする。
【解決手段】複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置であって、入力する光を増幅する増幅媒体と、増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ共振器と、光ＳＳＢ変調器を制御して、前記光ＳＳＢ変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部とを備える、レーザ装置、測定装置、および測定方法を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置であって、入力する光を増幅する増幅媒体と、増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ共振器と、光ＳＳＢ変調器を制御して、前記光ＳＳＢ変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部とを備える、レーザ装置、測定装置、および測定方法を提供する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置であって、
入力する光を増幅する増幅媒体と、
前記増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光ＳＳＢ変調器と
を有するレーザ共振器と、
前記光ＳＳＢ変調器を制御して、前記光ＳＳＢ変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部と
を備える、レーザ装置。
入力する光を増幅する増幅媒体と、
前記増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光ＳＳＢ変調器と
を有するレーザ共振器と、
前記光ＳＳＢ変調器を制御して、前記光ＳＳＢ変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部と
を備える、レーザ装置。
【請求項2】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を設定する、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項3】
前記光ＳＳＢ変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧およびＲＦ信号を供給し、周波数を変更して前記周波数シフト量を設定する、請求項２に記載のレーザ装置。
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧およびＲＦ信号を供給し、周波数を変更して前記周波数シフト量を設定する、請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項4】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の周波数シフト方向を設定する、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項5】
前記光ＳＳＢ変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧を供給して前記周波数シフト方向を切り換える、請求項４に記載のレーザ装置。
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧を供給して前記周波数シフト方向を切り換える、請求項４に記載のレーザ装置。
【請求項6】
前記光ＳＳＢ変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に供給するＲＦ信号の位相を反転して、前記周波数シフト方向を切り換える、請求項４に記載のレーザ装置。
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に供給するＲＦ信号の位相を反転して、前記周波数シフト方向を切り換える、請求項４に記載のレーザ装置。
【請求項7】
請求項１に記載の前記レーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
【請求項8】
請求項２または３に記載の前記レーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
【請求項9】
請求項４から６のいずれか一項に記載の前記レーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
【請求項10】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を第１周波数と前記第１周波数よりも大きい第２周波数とのいずれかに設定してから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、
前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数にした場合に発生した次数判定ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項８に記載の測定装置。
前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数にした場合に発生した次数判定ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項８に記載の測定装置。
【請求項11】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に切り換えてから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、
前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項９に記載の測定装置。
前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項９に記載の測定装置。
【請求項12】
前記ビート信号発生部は、前記反射光および前記参照光を直交検波する、請求項７から１１のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項13】
光ＳＳＢ変調器の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記正側ビート信号および前記負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記正側ビート信号および前記負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
【請求項14】
光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を第１周波数に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、距離測定ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号および前記距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、距離測定ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号および前記距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
【請求項15】
光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を第１周波数に設定し、周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数のまま、前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号、前記正側ビート信号、および前記負側ビート信号に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数のまま、前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号、前記正側ビート信号、および前記負側ビート信号に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ装置、測定装置、および測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
共振器内に周波数シフタが設けられ、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードレーザを出力する周波数シフト帰還レーザ（ＦＳＦＬ：Frequency Shifted Feedback Laser）が知られている。また、このような周波数シフト帰還レーザを用いた光学式の距離計が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１を参照）。また、周波数シフタとして、光ＳＳＢ（Single Side Band）変調器が知られている（例えば、特許文献２および３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第３５８３９０６号明細書
【特許文献2】特許第３８６７１４８号明細書
【特許文献3】特許第４５２４４８２号明細書
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】原武文，「ＦＳＦレーザによる距離センシングとその応用」，オプトニューズ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．３，２０１２年，ｐｐ．２５－３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
このような周波数シフト帰還レーザとして、音響光学素子を用いた周波数シフタが共振器内に設けられている構成が知られている。音響光学素子は、素子内における超音波信号が伝播している領域に光を入力させると、入力光の周波数から超音波信号の周波数だけシフトさせた周波数の回折光を出力する素子である。このような音響光学素子は、シフトさせる周波数および周波数の正負を容易に変更することができなかった。したがって、このような音響光学素子を用いた周波数シフト帰還レーザは、周波数のシフト量およびシフト方向を容易に変更することができなかった。
【0006】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、周波数シフト帰還レーザの周波数をシフトさせるシフト量および／またはシフト方向を容易に変更できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第１の態様においては、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置であって、入力する光を増幅する増幅媒体と、前記増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ共振器と、前記光ＳＳＢ変調器を制御して、前記光ＳＳＢ変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部とを備える、レーザ装置を提供する。
【0008】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を設定してもよい。
【0009】
前記光ＳＳＢ変調器は、基板と、前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路とを有し、前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧およびＲＦ信号を供給し、周波数を変更して前記周波数シフト量を設定してもよい。
【0010】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の周波数シフト方向を設定してもよい。
【0011】
前記光ＳＳＢ変調器は、基板と、前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路とを有し、前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧を供給して前記周波数シフト方向を切り換えてもよい。
【0012】
前記光ＳＳＢ変調器は、基板と、前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路とを有し、前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に供給するＲＦ信号の位相を反転して、前記周波数シフト方向を切り換えてもよい。
【0013】
本発明の第２の態様においては、第１の態様の前記レーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部とを備える、測定装置を提供する。
【0014】
本発明の第２の態様においては、第１の態様の前記レーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部とを備える、測定装置を提供する。
【0015】
本発明の第３の態様においては、第１の態様の前記レーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部とを備える、測定装置を提供する。
【0016】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を第１周波数と前記第１周波数よりも大きい第２周波数とのいずれかに設定してから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数にした場合に発生した次数判定ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出してもよい。
【0017】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に切り換えてから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出してもよい。
【0018】
前記ビート信号発生部は、前記反射光および前記参照光を直交検波してもよい。
【0019】
本発明の第４の態様においては、光ＳＳＢ変調器の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して正側ビート信号を発生させるステップと、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、前記正側ビート信号および前記負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップとを備える、測定方法を提供する。
【0020】
本発明の第５の態様においては、光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を第１周波数に設定するステップと、レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、距離測定ビート信号を発生させるステップと、前記次数判定ビート信号および前記距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップとを備える、測定方法を提供する。
【0021】
本発明の第６の態様においては、光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を第１周波数に設定し、周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させるステップと、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数のまま、前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、前記次数判定ビート信号、前記正側ビート信号、および前記負側ビート信号に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップとを備える、測定方法を提供する。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、周波数シフト帰還レーザの周波数をシフトさせるシフト量および／またはシフト方向を容易に変更できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。
【図2】ＡＯＦＳ２０の構成例を示す。
【図3】本実施形態に係る光ＳＳＢ変調器３０と制御部５０の構成例を示す。
【図4】本実施形態に係るレーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例を示す。
【図5】本実施形態に係る測定装置１００の構成例を計測対象物１０と共に示す。
【図6】本実施形態に係る測定装置１００が検出するビート信号の周波数と、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄとの関係の一例を示す。
【図7】本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部１６０の構成例を示す。
【図8】本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部１６０の直交検波の概略の一例を示す。
【図9】本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第１例を示す。
【図10】本実施形態に係る測定装置１００の参照光および測定光の光周波数と、観測されるビート信号の周波数の概念を示す。
【図11】本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第２例を示す。
【図12】本実施形態に係るレーザ装置１１０の周波数シフト量νｓと絶対測長範囲との関係の概念を示す。
【図13】本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第３例を示す。
【図14】本実施形態に係る制御部５０の変形例を光ＳＳＢ変調器３０と共に示す。
【発明を実施するための形態】
【0024】
［レーザ装置１１０の構成例］
図１は、本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。図１に示すレーザ装置１１０は、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する周波数シフト帰還レーザの一例を示す。レーザ装置１１０は、レーザ共振器を有し、当該レーザ共振器内でレーザ光を発振させる。レーザ装置１１０のレーザ共振器は、周波数シフタ１１２と、増幅媒体１１４と、ＷＤＭカプラ１１６と、ポンプ光源１１７、出力カプラ１１８とを含むレーザ共振器を有する。
図１は、本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。図１に示すレーザ装置１１０は、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する周波数シフト帰還レーザの一例を示す。レーザ装置１１０は、レーザ共振器を有し、当該レーザ共振器内でレーザ光を発振させる。レーザ装置１１０のレーザ共振器は、周波数シフタ１１２と、増幅媒体１１４と、ＷＤＭカプラ１１６と、ポンプ光源１１７、出力カプラ１１８とを含むレーザ共振器を有する。
【0025】
周波数シフタ１１２は、入力する光の周波数を略一定の周波数だけ周波数シフトする。ここで、周波数シフタ１１２による周波数シフト量を＋νｓまたは－νｓとする。例えば、周波数シフタ１１２は、共振器を周回する光の周波数を、１周回毎にνｓだけ周波数が増加するようにシフトさせる。
【0026】
増幅媒体１１４は、ポンプ光が供給され、入力する光を増幅する。増幅媒体１１４は、一例として、不純物が添加された光ファイバである。不純物は、例えば、エルビウム、ネオジウム、イッテルビウム、テルビウム、ツリウム等の希土類元素である。また、増幅媒体１１４は、ＷＤＭカプラ１１６を介してポンプ光源１１７からポンプ光が供給される。出力カプラ１１８は、共振器内でレーザ発振した光の一部を外部に出力する。
【0027】
即ち、図１に示すレーザ装置１１０は、共振器内に周波数シフタ１１２を有するファイバリングレーザを構成する。レーザ装置１１０は、共振器内にアイソレータを更に有することが望ましい。また、レーザ装置１１０は、予め定められた波長帯域の光を通過させる光バンドパスフィルタを共振器内に有してもよい。
【0028】
このようなレーザ装置１１０に用いられている周波数シフタ１１２として、従来、音響光学素子を有するＡＯＦＳ（Acousto-Optic Frequency Shifter）が知られている。ＡＯＦＳについて次に説明する。
【0029】
［ＡＯＦＳ２０の構成例］
図２は、ＡＯＦＳ２０の構成例を示す。ＡＯＦＳ２０は、光学結晶２１と、超音波トランスデューサ２２と、超音波吸収体２３と、発振器２４とを備える。光学結晶２１は、光を透過させる結晶であり、例えば、TeO2、PbMoO4、重フリントガラス等である。
図２は、ＡＯＦＳ２０の構成例を示す。ＡＯＦＳ２０は、光学結晶２１と、超音波トランスデューサ２２と、超音波吸収体２３と、発振器２４とを備える。光学結晶２１は、光を透過させる結晶であり、例えば、TeO2、PbMoO4、重フリントガラス等である。
【0030】
超音波トランスデューサ２２は、光学結晶２１の端面に設けられ、発振器２４から供給される周波数ω１の電気信号に応じた超音波を発生させる。超音波トランスデューサ２２は、例えば、光学結晶２１の一の端面から一の端面に対向する端面へと発生させた超音波を伝播させる。図２において、超音波の伝播方向の一例を矢印で示す。なお、光学結晶２１の超音波トランスデューサ２２が設けられている端面に対向する端面には、超音波吸収体２３が設けられている。
【0031】
光学結晶２１の内部には、超音波が伝播することによって屈折率変調が生じる。このような光学結晶２１に光を入射させると、ラマン－ナス回析によって入射した光が回析する。回析された光の周波数は、伝播する超音波によるドップラー効果によって、入射した光の周波数ω０から超音波の周波数ω１だけシフトする。このように、回析光の周波数は、ドップラー効果に基づいてシフトするので、シフトする周波数の正負は、超音波の伝播方向と入射光の入射方向とに応じて定まる。図２は、周波数シフトの方向が正であり、回析光の周波数はω０＋ω１となる例を示す。
【0032】
例えば、強い回折光が生じさせるには、超音波による屈折率格子間隔ｄ、光波の波長λ、光波の入射角θｉ、回折角θｏ、および回折の次数ｈがｄ（sinθｉ―sinθｏ）＝ｈλ、ｈ＝０、±１、±２、．．．の関係を満たす必要がある。ｈが正ならば周波数シフトは正に、ｈが負ならば周波数シフトは負となり、ｈが０ならば周波数シフトは生じない。一般にλ、θｉは固定され、ｈが＋１または－１のいずれかの回折光を取り出すようにθｏが調整されている。
【0033】
したがって、ＡＯＦＳ２０において、シフトする周波数の正負を切り換えるには、例えば、超音波の伝播方向を反対方向に切り換えるか、または、光の入射角度を変更しなければならない。超音波の伝播方向および光の入射角は、電気信号等によって容易に変更できるものではないので、このようなＡＯＦＳ２０を用いた従来のレーザ装置１１０において、周波数のシフト方向を切り換えることは困難であった。
【0034】
また、超音波トランスデューサ２２には、材料に起因する共振周波数を有するので、共振周波数から大きくずれた周波数の超音波を発生させることができない。また、光学結晶２１によって回析される光の回析角は、超音波の周波数に対応する角度となる。回析角が周波数シフト量に応じて変化すると、出力側の光学系との結合損失が発生してしまう。したがって、ＡＯＦＳ２０において、シフトする周波数のシフト量を自由に変更することは困難であった。そこで、本実施形態に係るレーザ装置１１０は、周波数シフタ１１２として光ＳＳＢ変調器を用いることにより、容易に周波数のシフト量および／またはシフト方向を切り換え可能とする。このような光ＳＳＢ変調器について、次に説明する。
【0035】
［光ＳＳＢ変調器３０の構成例］
図３は、本実施形態に係る光ＳＳＢ変調器３０と制御部５０の構成例を示す。光ＳＳＢ変調器３０は、基板３１、メインマッハツェンダ導波路３２、第１サブマッハツェンダ導波路３３、第２サブマッハツェンダ導波路３４、メインＤＣ電極３５、第１サブＤＣ電極３６、第２サブＤＣ電極３７、第１ＲＦ電極３８、および第２ＲＦ電極３９を備える。
図３は、本実施形態に係る光ＳＳＢ変調器３０と制御部５０の構成例を示す。光ＳＳＢ変調器３０は、基板３１、メインマッハツェンダ導波路３２、第１サブマッハツェンダ導波路３３、第２サブマッハツェンダ導波路３４、メインＤＣ電極３５、第１サブＤＣ電極３６、第２サブＤＣ電極３７、第１ＲＦ電極３８、および第２ＲＦ電極３９を備える。
【0036】
基板３１は、少なくとも一部が電気光学結晶で形成されている基板であり、例えば、ＬｉＮｂＯ３結晶を有する。このような基板３１の表面に、導波路および基板が形成されている。メインマッハツェンダ導波路３２は、光ＳＳＢ変調器３０に入力する光を２つに分岐し、分岐した光を再び合波してから出力する。メインマッハツェンダ導波路３２は、２つに分岐した光をそれぞれ通過させる第１アーム導波路４１および第２アーム導波路４２を有する。
【0037】
第１アーム導波路４１には、第１サブマッハツェンダ導波路３３が設けられている。第１サブマッハツェンダ導波路３３は、第１アーム導波路４１が通過させる光を２つに分岐し、分岐した光を再び合波してから第１アーム導波路４１へと出力する。第１サブマッハツェンダ導波路３３は、入力した光をそれぞれ通過させる第１サブアーム導波路４３および第２サブアーム導波路４４を有する。
【0038】
第２アーム導波路４２には、第２サブマッハツェンダ導波路３４が設けられている。第２サブマッハツェンダ導波路３４は、第２アーム導波路４２が通過させる光を２つに分岐し、分岐した光を再び合波してから第２アーム導波路４２へと出力する。第２サブマッハツェンダ導波路３４は、入力した光をそれぞれ通過させる第３サブアーム導波路４５および第４サブアーム導波路４６を有する。
【0039】
メインＤＣ電極３５は、一例として、メインマッハツェンダ導波路３２の第１アーム導波路４１および第２アーム導波路４２のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。メインＤＣ電極３５は、制御部５０から直流電圧が供給される。
【0040】
第１サブＤＣ電極３６および第１ＲＦ電極３８は、一例として、第１サブマッハツェンダ導波路３３の第１サブアーム導波路４３および第２サブアーム導波路４４のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。第１サブＤＣ電極３６および第１ＲＦ電極３８は、別個の電極であってもよく、共通の１つの電極であってもよい。
【0041】
同様に、第２サブＤＣ電極３７および第２ＲＦ電極３９は、一例として、第２サブマッハツェンダ導波路３４の第３サブアーム導波路４５および第４サブアーム導波路４６のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。第２サブＤＣ電極３７および第２ＲＦ電極３９は、別個の電極であってもよく、共通の１つの電極であってもよい。
【0042】
第１サブＤＣ電極３６および第２サブＤＣ電極３７には、制御部５０から直流電圧がそれぞれ供給される。第１ＲＦ電極３８および第２ＲＦ電極３９には、制御部５０からＲＦ信号がそれぞれ供給される。ＲＦ信号は、例えば、数ＧＨｚから数十ＧＨｚの高周波信号である。
【0043】
このように、入力する光を通過させる導波路の近傍に設けられている電極に電圧を加えることにより、導波路の屈折率を変化させる電気光学効果（ポッケルス効果）が発生する。電気光学効果が発生している導波路を通過する光の振幅強度レベルおよび位相には、加えた電圧に対応する変調、オフセット等が生じることになる。このような電気光学効果による屈折率の変化は、電場の印加方向に対応するので、例えば、電極に印加する電圧の正負を変更するだけで、位相の変化方向を切り換えることができる。
【0044】
制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の複数の電極に直流電圧およびＲＦ信号を供給して、導波路を通過する光の位相を調節する。制御部５０は、直流電圧生成部５２と、ＲＦ信号生成部５４とを有する。直流電圧生成部５２は、直流電圧を生成してメインＤＣ電極３５、第１サブＤＣ電極３６、および第２サブＤＣ電極３７に供給する。ＲＦ信号生成部５４は、ＲＦ信号を生成して第１ＲＦ電極３８および第２ＲＦ電極３９に供給する。
【0045】
制御部５０は、直流電圧生成部５２およびＲＦ信号生成部５４を制御して、光ＳＳＢ変調器３０に直流電圧およびＲＦ信号を供給し、周波数シフト方向および周波数シフト量を調節する。例えば、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０に入力する光の周波数をＲＦ信号の周波数だけシフトさせる。制御部５０は、ＲＦ信号の周波数を変更して光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を更に設定可能でもよい。
【0046】
また、制御部５０は、メインマッハツェンダ導波路３２、第１サブマッハツェンダ導波路３３、および第２サブマッハツェンダ導波路３４に対応して基板３１に設けられているメインＤＣ電極３５、第１サブＤＣ電極３６、および第２サブＤＣ電極３７に、予め定められた値の直流電圧を供給して周波数シフト方向を切り換える。このような光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフトおよびシフト方向の切換等については、既知の特許文献２および特許文献３等に記載されているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【0047】
以上のように、本実施形態に係るレーザ装置１１０は、図３に示す光ＳＳＢ変調器３０を周波数シフタ１１２として用いる。そして、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０に供給するＲＦ信号の周波数を設定することで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を設定可能とする。また、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０に供給する電圧を切り換えることで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に切り換え可能とする。これにより、レーザ装置１１０の周波数をシフトさせるシフト量と正負の方向とを容易に設定することができる。このようなレーザ装置１１０が出力するレーザ光の周波数特性について次に説明する。
【0048】
図４は、本実施形態に係るレーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例を示す。図４は、時刻ｔ０においてレーザ装置１１０が出力するレーザ光の光スペクトルを左側に示す。当該光スペクトルにおいては、横軸が光強度、縦軸が光の周波数を示す。また、光スペクトルの複数の縦モードを番号ｑで示す。複数の縦モードの周波数は、略一定の周波数間隔で並ぶ。ここで、光が共振器を１周する時間をτＲＴ（＝１／νＣ）とすると、複数の縦モードは、次式のように１／τＲＴ（＝νＣ）間隔で並ぶことになる。なお、ν０は、時刻ｔ０における光スペクトルの初期周波数とする。
【数1】
【0049】
図４は、レーザ装置１１０が出力する複数の縦モードの時間経過にともなう周波数の変化を右側に示す。図４の右側においては、横軸が時間、縦軸が周波数を示す。即ち、図４は、レーザ装置１１０が出力するレーザ光の周波数の時間的な変化を右側に示し、当該レーザ光の時刻ｔ０における瞬時周波数を左側に示したものである。
【0050】
レーザ装置１１０は、一例として、周波数シフタ１１２のシフト量が＋νｓに設定され、共振器内の光が共振器を１周する毎に、周波数シフタ１１２が周回する光の周波数を＋νｓだけ増加させる。即ち、時間がτＲＴ経過する毎に、各モードの周波数はνｓだけ増加するので、周波数の時間変化ｄν／ｄｔは、νｓ／τＲＴと略等しくなる。したがって、（数１）式で示した複数の縦モードは、時間ｔの経過に伴って、次式のように変化する。
【数2】
【0051】
なお、（数２）式は、周波数のシフト方向をプラス方向（正の方向）とした場合の式である。図４の右側において、周波数のシフト方向をプラス方向とした場合のレーザ光の周波数の時間的な変化の例を時刻ｔ０からｔ１の間の期間に示す。これに代えて、周波数のシフト方向をマイナス方向（負の方向）とした場合は、（数２）式の第２項であるνｓ・ｔ／τＲＴの符号がマイナスとなる。図４の右側において、周波数のシフト方向をマイナス方向とした場合のレーザ光の周波数の時間的な変化の例を時刻ｔ２からｔ３の間の期間に示す。
【0052】
以上のように、光ＳＳＢ変調器３０を周波数シフタ１１２として用いたレーザ装置１１０は、周波数のシフト方向を正方向および負方向のいずれかに切り換えることができる。また、レーザ装置１１０は、周波数のシフト量を容易に変更できる。そして、光ＳＳＢ変調器３０は、このような周波数のシフト量およびシフト方向の変更を、出力角の変更なしに実行できる。即ち、レーザ装置１１０は、光出力をほとんど変化させることなく、周波数のシフト量およびシフト方向を容易に変更できる。このようなレーザ装置１１０を光学式の距離計等に用いると、距離測定の精度を向上させること、機能を改善できること等を容易に実現できる。そこで、本実施形態に係るレーザ装置１１０を備える光学式距離計について、次に説明する。
【0053】
［測定装置１００の構成例］
図５は、本実施形態に係る測定装置１００の構成例を計測対象物１０と共に示す。測定装置１００は、当該測定装置１００および計測対象物１０の間の距離を光学的に測定する。また、測定装置１００は、計測対象物１０に照射するレーザ光の位置を走査して、計測対象物１０の三次元的な形状を計測してもよい。測定装置１００は、制御部５０と、レーザ装置１１０と、分岐部１２０と、光サーキュレータ１３０と、光ヘッド部１４０と、ビート信号発生部１５０と、検出部１６０と、表示部１７０を備える。
図５は、本実施形態に係る測定装置１００の構成例を計測対象物１０と共に示す。測定装置１００は、当該測定装置１００および計測対象物１０の間の距離を光学的に測定する。また、測定装置１００は、計測対象物１０に照射するレーザ光の位置を走査して、計測対象物１０の三次元的な形状を計測してもよい。測定装置１００は、制御部５０と、レーザ装置１１０と、分岐部１２０と、光サーキュレータ１３０と、光ヘッド部１４０と、ビート信号発生部１５０と、検出部１６０と、表示部１７０を備える。
【0054】
制御部５０は、レーザ装置１１０を制御するための直流電圧およびＲＦ信号を供給する。レーザ装置１１０は、光ＳＳＢ変調器３０を有する周波数シフト帰還レーザである。制御部５０およびレーザ装置１１０については、既に説明したのでここでは説明を省略する。
【0055】
分岐部１２０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。分岐部１２０は、一例として、光ファイバ型の光カプラである。図５の例において、分岐部１２０は、測定光を光サーキュレータ１３０に供給し、参照光をビート信号発生部１５０に供給する。
【0056】
光サーキュレータ１３０は、複数の入出力ポートを有する。光サーキュレータ１３０は、例えば、一のポートに入力した光を次のポートから出力させ、当該次のポートから入力する光を更に次のポートから出力させる。図５は、光サーキュレータ１３０が３つの入出力ポートを有する例を示す。この場合、光サーキュレータ１３０は、分岐部１２０から供給される測定光を光ヘッド部１４０に出力する。また、光サーキュレータ１３０は、光ヘッド部１４０から入力する光をビート信号発生部１５０へと出力する。
【0057】
光ヘッド部１４０は、光サーキュレータ１３０から入力する光を計測対象物１０に向けて照射する。光ヘッド部１４０は、一例として、コリメータレンズを有する。この場合、光ヘッド部１４０は、光ファイバを介して光サーキュレータ１３０から入力する光をコリメータレンズでビーム状に調節してから出力する。
【0058】
また、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０に照射した測定光の反射光を受光する。光ヘッド部１４０は、受光した反射光をコリメータレンズで光ファイバに集光して光サーキュレータ１３０に供給する。この場合、光ヘッド部１４０は、共通の１つのコリメータレンズを有し、当該コリメータレンズで、測定光を計測対象物１０に照射し、また、計測対象物１０からの反射光を受光してよい。なお、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離をｄとする。
【0059】
これに代えて、光ヘッド部１４０は、集光レンズを有してもよい。この場合、光ヘッド部１４０は、光ファイバを介して光サーキュレータ１３０から入力する光を計測対象物１０の表面に集光する。そして、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０の表面で反射した反射光の少なくとも一部を受光する。光ヘッド部１４０は、受光した反射光を集光レンズで光ファイバに集光して光サーキュレータ１３０に供給する。この場合においても、光ヘッド部１４０は、共通の１つの集光レンズを有し、当該集光レンズで、測定光を計測対象物１０に照射し、また、計測対象物１０からの反射光を受光してよい。
【0060】
ビート信号発生部１５０は、測定光を計測対象物１０に照射して反射された反射光を光サーキュレータ１３０から受けとる。また、ビート信号発生部１５０は、分岐部１２０から参照光を受けとる。ビート信号発生部１５０は、反射光および参照光を混合してビート信号を発生させる。ビート信号発生部１５０は、例えば、光電変換素子を有し、ビート信号を電気信号に変換して出力する。
【0061】
ここで、反射光は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離を往復しているので、参照光と比較して少なくとも距離２ｄに応じた伝搬距離の差が生じることになる。レーザ装置１１０が出力する光は、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化するので、参照光および反射光の発振周波数は、当該伝搬距離の差に対応する伝搬遅延に応じた周波数差が生じる。ビート信号発生部１５０は、このような周波数差に対応するビート信号を発生させる。
【0062】
検出部１６０は、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数解析して、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。検出部１６０の周波数解析については後述する。
【0063】
表示部１７０は、検出部１６０の解析結果を表示する。表示部１７０は、ディスプレイ等を有し、検出結果を表示してよい。また、表示部１７０は、記憶部等に解析結果を記憶させてもよい。
【0064】
以上の測定装置１００は、計測対象物１０に照射した測定光の反射光と、参照光との間の周波数差を解析することにより、測定装置１００および計測対象物１０の間の距離を測定可能とする。即ち、測定装置１００は、非接触および非破壊の光学式距離計を構成できる。
【0065】
［距離測定処理の詳細］
本実施形態に係る測定装置１００は、（数２）式で示すような周波数成分を出力するレーザ装置１１０を用いて、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを測定する。ここで、参照光および反射光の間の光路差が、距離ｄを往復した距離２ｄだけであり、距離２ｄに対応する伝搬遅延をΔｔとする。即ち、時刻ｔにおいて、測定光が計測対象物１０から反射して戻ってきた場合、戻ってきた反射光は、時刻ｔよりも時間Δｔだけ過去の周波数と略一致するので、次式で示すことができる。
本実施形態に係る測定装置１００は、（数２）式で示すような周波数成分を出力するレーザ装置１１０を用いて、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを測定する。ここで、参照光および反射光の間の光路差が、距離ｄを往復した距離２ｄだけであり、距離２ｄに対応する伝搬遅延をΔｔとする。即ち、時刻ｔにおいて、測定光が計測対象物１０から反射して戻ってきた場合、戻ってきた反射光は、時刻ｔよりも時間Δｔだけ過去の周波数と略一致するので、次式で示すことができる。
【数3】
【0066】
一方、時刻ｔにおける参照光は、（数２）式と同様に次式で示すことができる。ここで、参照光をνｑ’（ｔ）とした。
【数4】
【0067】
ビート信号発生部１５０は、このような反射光および参照光を重畳させるので、（数３）式の複数の縦モードと（数４）式で示す複数の縦モードとの間の複数のビート信号が発生することになる。このようなビート信号の周波数をνＢ（ｍ，ｄ）とすると、νＢ（ｍ，ｄ）は、（数３）式および（数４）式より次式で示すことができる。なお、ｍを縦モード番号の間隔（＝ｑ－ｑ’）とし、Δｔ＝２ｄ／ｃとした。
【数5】
【0068】
（数５）式より、距離ｄは、次式のように示される。ここで、１／τＲＴ＝νｃとした。
【数6】
【0069】
（数６）式より、縦モード番号の間隔ｍを判別すれば、ビート信号の周波数観測結果から距離ｄを算出できることがわかる。なお、間隔ｍは、ビート信号の次数ｍと呼ばれ、レーザ装置１１０の周波数シフト量νｓを変化させた場合のビート信号の変化を検出することで、判別することができる。このような次数ｍの判別方法は、特許文献１等に記載されているように既知であるから、ここでは詳細な説明を省略する。
【0070】
観測されるビート信号は常に正の周波数であるから、計算上、負の周波数側に発生するビート信号は、正側に折り返され、イメージ信号として観測される。このようなイメージ信号の発生について、次に説明する。
【0071】
図６は、本実施形態に係る測定装置１００が検出するビート信号の周波数と、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄとの関係の一例を示す。図６の横軸は距離ｄを示し、縦軸はビート信号の周波数νＢ（ｍ，ｄ）を示す。図６の実線で示す複数の直線は、（数５）式に示したように、距離ｄに対するビート信号の周波数νＢ（ｍ，ｄ）の関係を、複数の次数ｍ毎に示したグラフである。
【0072】
図６のように、ｍの値に応じた複数のビート信号が発生する。しかしながら、反射光および参照光のそれぞれに含まれる複数の縦モードは、略一定の周波数間隔νｃで並ぶので、ｍの値が等しい複数のビート信号は周波数軸上では略同一の周波数に重畳されることになる。例えば、周波数０からνｃの間の周波数帯域を観測した場合、複数のビート信号は略同一の周波数に重畳されて、１本の線スペクトルとして観測される。
【0073】
これに加えて、０よりも小さい負の領域のビート信号の周波数νＢ（ｍ，ｄ）は、周波数の絶対値がイメージ信号として更に観測される。即ち、図６の縦軸が０よりも小さい領域のグラフは、周波数０を境界として折り返される。図６は、折り返されたイメージ信号を、複数の点線で示す。折り返された複数のイメージ信号は、正負が反転するだけなので、観測される周波数軸上では折り返される前の周波数の絶対値と同一の周波数に重畳される。例えば、周波数０からνｃの間の周波数帯域を観測した場合、このようなビート信号およびイメージ信号は、周波数がそれぞれνｃ／２にならない限り、それぞれ異なる周波数に位置する。
【0074】
このように、周波数０からνＣの間の観測帯域においては、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）と、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）とはｍの値が異なるイメージ信号νＢ（ｍ’，ｄ）の２本の線スペクトルが発生する。ここで、一例として、ｍ’＝ｍ＋１である。この場合、ビート信号発生部１５０が直交検波を用いることで、このようなイメージ信号をキャンセルできる。そこで直交検波を用いたビート信号発生部１５０および検出部１６０について、次に説明する。
【0075】
［ビート信号発生部１５０および検出部１６０の構成例］
図７は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部１６０の構成例を示す。ビート信号発生部１５０は、反射光および参照光を直交検波する。ビート信号発生部１５０は、光９０度ハイブリッド１５２と、２つの光電変換部１５４とを有する。
図７は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部１６０の構成例を示す。ビート信号発生部１５０は、反射光および参照光を直交検波する。ビート信号発生部１５０は、光９０度ハイブリッド１５２と、２つの光電変換部１５４とを有する。
【0076】
光９０度ハイブリッド１５２は、入力する反射光および参照光をそれぞれ２つに分岐する。光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した一方の反射光と、分岐した一方の参照光とを光カプラ等で合波して第１ビート信号を発生させる。また、光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した他方の反射光と、分岐した他方の参照光とを光カプラ等で合波して第２ビート信号を発生させる。ここで、光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した２つの参照光の間に９０度の位相差を生じさせてから、ビート信号を発生させる。光９０度ハイブリッド１５２は、例えば、分岐した２つの参照光のうちいずれか一方に、π／２波長板を介してから反射光とそれぞれ合波させる。
【0077】
光電変換部１５４は、合波した反射光および参照光を受光して電気信号に変換する。光電変換部１５４は、フォトダイオード等でよい。光電変換部１５４は、一例として、バランス型フォトダイオードである。図７において、２つの光電変換部１５４のうち一方の光電変換部１５４が第１ビート信号を発生させ、他方の光電変換部１５４が第２ビート信号を発生させるものとする。以上のように、ビート信号発生部１５０は、位相を９０度異ならせた２つの参照光と反射光とをそれぞれ合波させて直交検波し、２つのビート信号を検出部１６０に出力する。
【0078】
検出部１６０は、２つのビート信号を周波数解析する。ここでは、検出部１６０が、第１ビート信号をＩ信号とし、第２ビート信号をＱ信号として周波数解析する例を説明する。検出部１６０は、第１フィルタ部１６２、第２フィルタ部１６４、第１ＡＤ変換部２０２、第２ＡＤ変換部２０４、クロック信号供給部２１０、および周波数解析部２２０を有する。
【0079】
第１フィルタ部１６２および第２フィルタ部１６４は、ユーザ等が周波数解析したい周波数帯域とは異なる周波数帯域の信号成分を低減させる。ここで、ユーザ等が周波数解析したい周波数帯域を０からνｃとする。第１フィルタ部１６２および第２フィルタ部１６４は、例えば、周波数νｃ以下の信号成分を通過させるローパスフィルタである。この場合、第１フィルタ部１６２は、周波数νｃよりも高い周波数の信号成分を低減させた第１ビート信号を第１ＡＤ変換部２０２に供給する。また、第２フィルタ部１６４は、周波数νｃよりも高い周波数の信号成分を低減させた第２ビート信号を第２ＡＤ変換部２０４に供給する。
【0080】
第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部２０４は、入力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。例えば、第１ＡＤ変換部２０２は第１ビート信号をデジタル信号に変換し、第２ＡＤ変換部２０４は第２ビート信号をデジタル信号に変換する。クロック信号供給部２１０は、第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部２０４にクロック信号を供給する。これにより、第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部２０４は、受け取ったクロック信号の周波数と略同一のサンプリングレートでアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【0081】
ここで、観測帯域を０からνｃとすると、ビート信号の周波数は、最大でもレーザ共振器の共振周波数νｃである。したがって、クロック信号供給部２１０が、レーザ共振器の共振周波数νｃの２倍以上の周波数のクロック信号を第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部２０４に供給することで、ビート信号を観測することができる。ここで、共振周波数νｃの２倍以上の周波数をサンプリング周波数とする。このように、検出部１６０は、ビート信号をサンプリング周波数でサンプリングして生成した第１ビート信号および第２ビート信号を第１サンプリングデータとして周波数解析する。
【0082】
周波数解析部２２０は、第１ビート信号および第２ビート信号を周波数データに変換する。周波数解析部２２０は、一例として、第１ビート信号および第２ビート信号をそれぞれデジタルフーリエ変換（ＤＦＴ）する。周波数解析部２２０は、周波数データに変換した第１ビート信号を実部、周波数データに変換した第２ビート信号を虚部として加算し、イメージ信号を相殺する。以上の検出部１６０の動作は、例えば、制御部５０によって制御される。
【0083】
このような制御部５０および検出部１６０の少なくとも一部は、例えば、集積回路等で構成されている。この場合、ビート信号がデジタル信号に変換された後の検出部１６０の一部の構成が、集積回路等で構成されている。例えば、制御部５０と検出部１６０とは、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および／またはＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。
【0084】
制御部５０および検出部１６０の少なくとも一部をコンピュータ等で構成する場合、当該制御部５０および検出部１６０は、記憶部を含む。記憶部は、一例として、制御部５０および周波数解析部２２０を実現するコンピュータ等のＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、および作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。また、記憶部は、ＯＳ（Operating System）、アプリケーションプログラム、および／または当該アプリケーションプログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してよい。即ち、記憶部は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）および／またはＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置を含んでよい。
【0085】
コンピュータ等は、ＣＰＵ等のプロセッサを含み、記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって制御部５０および周波数解析部２２０として機能する。コンピュータ等は、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を含んでもよい。
【0086】
［直交検波の概略］
図８は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部１６０の直交検波の概略の一例を示す。図８の横軸はビート信号の周波数、縦軸は信号強度を示す。図８は、Ｉ信号およびＱ信号のいずれか一方の周波数スペクトルを示す。Ｉ信号およびＱ信号のいずれの周波数スペクトルも、図８の上側に示すように、略同一のスペクトル形状となる。Ｉ信号およびＱ信号は、例えば、周波数０からνｃの間の周波数帯域に、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）が観測される。この場合、Ｉ信号およびＱ信号には、負側の周波数０から－νｃの間の周波数帯域に、ビート信号－νＢ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号の元のビート信号－νＢ（ｍ＋１，ｄ）が存在する。
図８は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部１６０の直交検波の概略の一例を示す。図８の横軸はビート信号の周波数、縦軸は信号強度を示す。図８は、Ｉ信号およびＱ信号のいずれか一方の周波数スペクトルを示す。Ｉ信号およびＱ信号のいずれの周波数スペクトルも、図８の上側に示すように、略同一のスペクトル形状となる。Ｉ信号およびＱ信号は、例えば、周波数０からνｃの間の周波数帯域に、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）が観測される。この場合、Ｉ信号およびＱ信号には、負側の周波数０から－νｃの間の周波数帯域に、ビート信号－νＢ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号の元のビート信号－νＢ（ｍ＋１，ｄ）が存在する。
【0087】
ここで、Ｉ信号およびＱ信号は、ビート信号発生部１５０が直交検波した信号成分なので、スペクトル形状が同一であっても、異なる位相情報を含む。例えば、正側の周波数０からνｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号およびＱ信号のイメージ信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）は、互いに位相が反転する。同様に、負側の周波数０から－νｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号およびＱ信号のビート信号－νＢ（ｍ，ｄ）は、互いに位相が反転する。
【0088】
したがって、図８の下側に示すように、周波数解析部２２０がＩ信号およびＱ信号を用いてＩ＋ｊＱを算出すると、周波数０からνｃの間の周波数帯域において、周波数νＢ（ｍ，ｄ）のビート信号は強め合い、周波数νＢ（ｍ＋１，ｄ）のイメージ信号は相殺される。同様に、周波数０から－νｃの間の周波数帯域において、周波数－νＢ（ｍ＋１，ｄ）の２つのビート信号は強め合い、周波数－νＢ（ｍ，ｄ）の２つのビート信号は相殺される。
【0089】
このような周波数解析部２２０の周波数解析結果により、周波数０からνｃの間の周波数帯域には１つのビート信号が周波数νＢ（ｍ，ｄ）に観測されることになる。測定装置１００は、このようにして、イメージ信号をキャンセルできるので、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを測定できる。
【0090】
以上のように、本実施形態に係る測定装置１００によれば、当該測定装置１００および計測対象物１０の間の距離ｄを非破壊、非接触で測定することができる。このような非接触で計測対象物１０までの距離ｄを測定する測定装置１００は、計測対象物１０とは別個独立に配置されていることが多い。したがって、測定装置１００および計測対象物１０の少なくとも一方が振動または移動している場合、測定装置１００および計測対象物１０の間には相対速度が発生することになる。このような相対速度は、測定装置１００の測定結果に誤差として影響を与えることがある。
【0091】
例えば、測定装置１００の測定光の光軸方向と平行な方向の相対速度の成分が有限の値を有する場合、計測対象物１０からの反射光には、ドップラー効果によって、相対速度の成分に応じた周波数シフトが発生する。反射光の周波数シフトは、ビート信号発生部１５０が発生させるビート信号の周波数を変動させてしまうので、測定装置１００の測定結果に誤差が生じることになる。
【0092】
そこで、本実施形態に係る測定装置１００は、レーザ装置１１０の周波数シフト方向を変更し、シフト方向を変更した前後のビート信号を周波数解析することにより、このようなドップラー効果に基づく誤差を低減させる。このような測定装置１００の測定動作について次に説明する。
【0093】
［測定装置１００の動作フローの第１例］
図９は、本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第１例を示す。測定装置１００は、図９のＳ１０１０からＳ１０６０までの動作を実行することにより、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを測定する。
図９は、本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第１例を示す。測定装置１００は、図９のＳ１０１０からＳ１０６０までの動作を実行することにより、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを測定する。
【0094】
まず、Ｓ１０１０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定する。例えば、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側に設定する。また、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフトのシフト量νｓを更に設定してもよい。
【0095】
次に、Ｓ１０２０において、制御部５０は、レーザ共振器内に増幅媒体１１４と光ＳＳＢ変調器３０とを有するレーザ装置１１０を制御して、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。そして、分岐部１２０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部１４０は、測定光を計測対象物１０に照射する。そして、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０から反射された反射光を受光する。ビート信号発生部１５０は、反射光と参照光とを混合して正側ビート信号を発生させる。
【0096】
次に、Ｓ１０３０において、制御部５０は、検出部１６０を制御して、検出部１６０に正側ビート信号を周波数解析させる。検出部１６０は、例えば、正側ビート信号をレーザ共振器の共振周波数の２倍以上のサンプリング周波数でサンプリングして、サンプリングデータを生成する。周波数解析部２２０は、サンプリングデータのＩ信号およびＱ信号を周波数変換してＩ＋ｊＱを算出する。そして、周波数解析部２２０は、正側ビート信号が発生した正側周波数Ｆ１を算出する。
【0097】
次に、Ｓ１０４０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を反対方向に切り換える。例えば、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側から負側に切り換える。分岐部１２０は、周波数シフト方向が切り換えられた周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部１４０は、測定光を計測対象物１０に照射する。光ヘッド部１４０は、計測対象物１０から反射された反射光を受光する。そして、ビート信号発生部１５０は、反射光と参照光とを混合して負側ビート信号を発生させる。
【0098】
次に、Ｓ１０５０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を切り換えてから、検出部１６０を制御して負側ビート信号を周波数解析させる。検出部１６０は、例えば、正側ビート信号と同様に、負側ビート信号が発生した負側周波数Ｆ２を算出する。
【0099】
次に、Ｓ１０６０において、周波数解析部２２０は、正側ビート信号および負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差、即ち距離ｄを検出する。ここで、測定装置１００および計測対象物１０の間の相対速度に応じたドップラー効果が発生している場合、正側ビート信号および負側ビート信号の周波数解析結果には誤差が含まれることになる。
【0100】
例えば、ドップラー効果による周波数誤差をΔＦとすると、正側ビート信号の正側周波数Ｆ１は、Ｆ０－ΔＦと表すことができる。ここで、Ｆ０は、ドップラー効果が発生していない場合に観測される正側ビート信号の周波数である。また、負側ビート信号の負側周波数Ｆ２は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を反対側に切り換えているので、ドップラー効果による誤差の正負の符号が反転し、Ｆ０＋ΔＦと表すことができる。このような正側周波数Ｆ１および負側周波数Ｆ２の概念について、図１０を用いて説明する。
【0101】
図１０は、本実施形態に係る測定装置１００の参照光および測定光の光周波数と、観測されるビート信号の周波数の概念を示す。図１０の上側の図は、横軸が時間を示し、縦軸が参照光および測定光の光周波数を示す。また、図１０の下側の図は、横軸が時間を示し、縦軸がビート信号の周波数を示す。図１０は、制御部５０が光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向の切り換えを一定の周期Ｔで繰り返している例を示す。
【0102】
例えば、時刻ｔｎからｔｎ＋１までの期間にビート信号発生部１５０に到達した参照光は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側にした期間にレーザ装置１１０から出力されたレーザ光の一部である。また、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側にした期間に分岐された測定光は、一定の時間だけ遅延した時刻ｔｍからｔｍ＋１までの期間にビート信号発生部１５０へと到達する。
【0103】
ドップラー効果による影響がなければ、参照光に対する測定光の遅延時間は、計測対象物１０までの距離ｄに対応し、ビート信号発生部１５０が発生するビート信号の周波数はＦ０となる。図１０は、ドップラー効果による誤差ΔＦが生じている例を示し、時刻ｔｍからｔｎ＋１までの期間にビート信号発生部１５０が発生する正側ビート信号の正側周波数Ｆ１はＦ０－ΔＦとなる。
【0104】
同様に、時刻ｔｎ＋１からｔｎ＋２までの期間にビート信号発生部１５０に到達した参照光は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を負側にした期間にレーザ装置１１０から出力されたレーザ光の一部である。また、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を負側にした期間に分岐された測定光は、一定の時間だけ遅延した時刻ｔｍ＋１からｔｍ＋２までの期間にビート信号発生部１５０へと到達する。
【0105】
ここで、ドップラー効果による誤差は、測定光の周波数をシフトするので、図１０の上側の図において測定光の波形を縦軸方向にずれることになる。この場合、参照光に対する測定光の遅延時間は、シフト方向に応じて異なる時間になる。例えば、時刻ｔｍ＋１からｔｎ＋２までの期間にビート信号発生部１５０が発生する負側ビート信号の負側周波数Ｆ２はＦ０＋ΔＦとなる。
【0106】
したがって、周波数解析部２２０は、一例として、正側周波数Ｆ１および負側周波数Ｆ２の平均値を算出すると、理想的には、ドップラー効果による影響がない場合に発生するビート信号の周波数Ｆ０の値を得ることができる。これにより、周波数解析部２２０は、（数６）式を用いて、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを算出できる。表示部１７０は、算出した距離ｄの値を表示する。
【0107】
以上のように、検出部１６０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、ドップラー効果による影響を低減させた参照光と測定光との伝搬距離の差を検出することができる。なお、測定装置１００は、周波数変調レーザ光を計測対象物１０に照射する位置を異ならせて、図９に示す動作フローを繰り返して、計測対象物１０の形状を測定してもよい。
【0108】
以上の本実施形態に係る測定装置１００は、光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０を用いることで、ドップラー効果による影響を低減させて計測対象物１０までの距離ｄを精度よく測定できる。ここで、（数６）式より、ビート信号の信号周波数νＢ（ｍ，ｄ）の測定精度が距離ｄの測定精度に与える影響は、νｓおよびνｃの値が大きいほど小さくなる。レーザ装置１１０の共振器長を短くすることでνｃの値を大きくすることはできるが、レーザ発振に必要な増幅媒体１１４の長さ、ファイバの取り扱いに必要な長さ等にも限界があり、容易にνｃの値を大きくすることはできない。
【0109】
周波数シフタ１１２として、ＡＯＦＳ２０を用いた場合、光学結晶２１による周波数シフト量の最大値は１．５ＧＨｚ程度であり、効率等の観点から通常は数百ＭＨｚ程度のシフト量である。また、超音波トランスデューサ２２には共振周波数があるので、周波数シフト量を可変にして用いるには限界がある。
【0110】
これに対し、本実施形態に係る測定装置１００は、光ＳＳＢ変調器３０を用いるので、ＡＯＦＳ２０と比較して数十倍程度の周波数シフト量νｓを設定可能とする。したがって、測定装置１００は、従来に比べて、距離ｄの変化に対するビート周波数の感度を数十倍程度に向上させることができ、計測対象物１０までの距離ｄを高精度に測定できる。
【0111】
また、本実施形態に係る測定装置１００は、周波数シフト帰還レーザの周波数のシフト量を変更できることにより、例えば、ビート信号の次数ｍを容易に決定することもできる。（数６）式の説明でも述べたとおり、次数ｍは、レーザ装置１１０の周波数シフト量νｓを変化させた場合のビート信号の変化を検出することによって判別できる。
【0112】
このような次数ｍの決定方法は、特許文献１等に記載されているように、異なる周波数シフト量毎にビート信号を検出して、（数５）式の関係式を生成して連立させ、次数ｍを連立方程式の解として算出する方法として既知である。測定装置１００は、周波数シフト帰還レーザの周波数のシフト量を変更することで、このような方法を用いて次数ｍを判別してよい。
【0113】
なお、周波数シフト量の変化に応じて次数ｍが変化してしまうと、連立方程式の解の数が増加することになり、連立すべき方程式の数を対応して増加させなければならない。次数ｍの値は、距離ｄを絶対測長範囲で割った商として、次式のように示すことができる。ここで、絶対測長範囲は、次数ｍの値が変わらずに、連続的に距離ｄを測定できる範囲であり、シフト周波数νｓの逆数の時間内に測定光が往復する距離（即ち、ｃ／２νｓ）である。また、ｆｌｏｏｒ（）は、小数部分の切り捨てを意味する。
【数7】
【0114】
ここで、（数７）式をνｓで微分することにより、次式を得る。
【数8】
【0115】
（数８）式より、距離ｄの値が大きければ大きいほど、周波数のシフト量νｓの変化に対する次数ｍの値の変化量が大きいことがわかる。これは、レーザ装置１１０から計測対象物１０までの距離ｄが離れていれば離れているほど、周波数シフトによって次数ｍが変化しやすいことを意味する。また、上述のように、周波数シフト量νｓを大きくすると、距離の測定精度が向上する一方で、絶対測長範囲が狭くなり、次数ｍが変化しやすい。したがって、より遠くの計測対象物１０を精度良く測定するには、ｍの値がより多く変化して連立方程式が複雑になってしまうので、測定装置１００による測定が困難になってしまうことがあった。
【0116】
そこで、本実施形態に係る測定装置１００は、次数ｍを決定するための周波数シフト量と、距離ｄを測定するための周波数シフト量とを異ならせることにより、より高感度でより遠方の距離ｄを測定可能とする。このような測定装置１００の測定動作について次に説明する。
【0117】
［測定装置１００の動作フローの第２例］
図１１は、本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第２例を示す。第２例の動作フローにおいて、第１例の動作フローで既に説明した動作については説明の一部を省略する。
図１１は、本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第２例を示す。第２例の動作フローにおいて、第１例の動作フローで既に説明した動作については説明の一部を省略する。
【0118】
まず、Ｓ１１１０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量νｓを第１周波数νｓ１に設定する。第１周波数νｓ１は、次数ｍを判定するための周波数シフト量であり、距離ｄを測定するための周波数シフト量よりも小さい値である。第１周波数νｓ１は、距離ｄを測定するための絶対測長範囲を数倍程度以上の範囲に拡大するための低い周波数であることが望ましい。また、第１周波数νｓ１は、後に述べるように、距離ｄに対応する周波数であることがより望ましい。第１周波数νｓ１は、例えば、数十ＭＨｚから数ＧＨｚ程度の周波数である。また、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を更に設定してもよい。
【0119】
次に、Ｓ１１２０において、制御部５０は、レーザ共振器内に増幅媒体１１４と光ＳＳＢ変調器３０とを有するレーザ装置１１０を制御して、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。そして、分岐部１２０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部１４０は、測定光を計測対象物１０に照射する。そして、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０から反射された反射光を受光する。ビート信号発生部１５０は、反射光と参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させる。
【0120】
次に、Ｓ１１３０において、制御部５０は、検出部１６０を制御して、検出部１６０に次数判定ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部２２０は、次数判定ビート信号が発生した次数判定用の周波数Ｆ３を算出する。
【0121】
次に、Ｓ１１４０において、周波数解析部２２０は、次数判定用の周波数Ｆ３と（数５）式とを用いて、次数ｍを判定する。周波数解析部２２０は、距離ｄを測定するための絶対測長範囲における次数ｍを判定する。このような周波数シフト量νｓと絶対測長範囲との関係について、図１２を用いて説明する。
【0122】
図１２は、本実施形態に係るレーザ装置１１０の周波数シフト量νｓと絶対測長範囲との関係の概念を示す。図１２の横軸は計測対象物１０までの距離ｄを示し、縦軸はビート信号の周波数を示す。図１２の実線で示す複数の直線は、図６で説明したように、距離ｄに対するビート信号の周波数νＢ（ｍ，ｄ）の関係を、複数のｍ毎に示したグラフである。即ち、実線で示す複数の直線は、制御部５０が距離ｄを測定するための周波数シフト量νｓ２をレーザ装置１１０に設定した場合の距離ｄおよび周波数νＢ（ｍ，ｄ）の関係を示す。この場合の周波数シフト量νｓ２を第２周波数とする。また、絶対測長範囲は、ｃ／２νｓ＝ｃ／２νｓ２となる。
【0123】
図１２の点線で示す直線は、周波数シフト量νｓを第１周波数νｓ１に設定した場合の距離ｄおよび周波数νＢ（ｍ，ｄ）の関係を示す。図１２は、第１周波数νｓ１をνｓ２／５とした例を示す。これにより、絶対測長範囲が、５ｃ／２νｓ２に拡大されたことがわかる。したがって、周波数シフト量νｓを第１周波数νｓ１に設定し、０からνｃまでの範囲の周波数の次数判定ビート信号を検出すると、次数ｍの変化なしに距離ｄに対応する次数判定用の周波数Ｆ３を検出できる。
【0124】
一例として、検出部１６０が次数判定ビート信号を検出して周波数解析し、周波数Ｆ３を算出したとする。この場合、次数判定ビート信号の周波数は、絶対測長範囲の範囲内なので、周波数Ｆ３に対応する距離ｄ３を算出できる。そして、算出された距離ｄ３に基づき、周波数シフト量を第２周波数νｓに設定した場合の次数ｍを判定することができる。例えば、図１２の実線で示す複数の直線より、距離ｄ３を測定可能な絶対測長範囲は次数ｍ＝３であり、他の次数の直線によるビート信号はレプリカとなることがわかる。以上のように、第１周波数νｓ１をより低い周波数とすることで、絶対測長範囲を拡大させて、距離ｄを測定する場合の次数ｍを判定できる。なお、第１周波数νｓ１は、拡大した絶対測長範囲に計測対象物１０までの距離ｄに対応する周波数が含まれる程度の周波数とすることが望ましい。
【0125】
次に、Ｓ１１５０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量νｓを第１周波数νｓ１よりも大きい第２周波数νｓ２に切り換える。第２周波数νｓ２は、上述のとおり、距離ｄを測定するための周波数シフト量である。分岐部１２０は、周波数シフト量が切り換えられた周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部１４０は、測定光を計測対象物１０に照射する。光ヘッド部１４０は、計測対象物１０から反射された反射光を受光する。そして、ビート信号発生部１５０は、反射光と参照光とを混合して距離測定ビート信号を発生させる。
【0126】
次に、Ｓ１１６０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を切り換えてから、検出部１６０を制御して距離測定ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部２２０は、距離測定ビート信号が発生した距離測定用の周波数Ｆ４を算出する。
【0127】
次に、Ｓ１１７０において、周波数解析部２２０は、次数判定ビート信号および距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。周波数解析部２２０は、例えば、次数ｍと距離測定用の周波数Ｆ４を（数６）式に代入して、距離ｄを算出する。表示部１７０は、算出した距離ｄの値を表示する。
【0128】
以上のように、測定装置１００は、少なくとも次数ｍが判定できる程度の分解能を有するように、周波数シフト量を低減させることで、容易に次数ｍを判定可能とする。そして、周波数シフト量をより高い周波数に切り換えることにより、測定精度を向上させてから距離ｄを測定する。これにより、測定装置１００は、より遠方の距離ｄをより高感度で測定することができる。
【0129】
なお、図１１の動作フローにおいて、測定装置１００が次数判定ビート信号を検出してから距離測定ビート信号を検出する例を説明したが、これに限定されることはない。測定装置１００は、距離測定ビート信号を検出してから次数判定ビート信号を検出してもよい。このように、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を第１周波数νｓ１と第１周波数νｓ１よりも大きい第２周波数νｓ２のいずれかに設定してから、検出部１６０にビート信号を周波数解析させてよい。そして、検出部１６０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を第１周波数νｓ１にした場合に発生した次数判定ビート信号と、光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を第２周波数νｓ２にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。
【0130】
以上の本実施形態に係る測定装置１００において、ドップラー効果の影響を低減させる動作と、次数ｍを判定する動作とをそれぞれ別個に説明したが、これに限定されることはない。測定装置１００は、ドップラー効果の影響を低減させつつ、次数ｍを判定してもよい。このような測定装置１００の動作について、次に説明する。
【0131】
［測定装置１００の動作フローの第３例］
図１３は、本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第３例を示す。第３例の動作フローにおいて、第１例の動作フローおよび第２例の動作フローで既に説明した動作については説明の一部を省略する。
図１３は、本実施形態に係る測定装置１００の動作フローの第３例を示す。第３例の動作フローにおいて、第１例の動作フローおよび第２例の動作フローで既に説明した動作については説明の一部を省略する。
【0132】
まず、Ｓ１２１０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を第１周波数νｓ１に設定し、周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定する。一例として、制御部５０は、第１周波数をνｓ／５に、周波数シフト方向を正に設定する。
【0133】
次に、Ｓ１２２０において、制御部５０は、レーザ装置１１０を制御して、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。そして、分岐部１２０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部１４０は、測定光を計測対象物１０に照射する。そして、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０から反射された反射光を受光する。ビート信号発生部１５０は、反射光と参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させる。
【0134】
次に、Ｓ１２３０において、制御部５０は、検出部１６０を制御して、検出部１６０に次数判定ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部２２０は、次数判定ビート信号が発生した次数判定用の周波数Ｆ０を算出する。
【0135】
次に、Ｓ１２４０において、周波数解析部２２０は、次数判定用の周波数Ｆ０と（数５）式とを用いて、次数ｍを判定する。この段階において、次数判定ビート信号に基づいて算出された周波数Ｆ１には、ドップラー効果の影響による誤差が含まれていることがある。しかしながら、ドップラー効果の影響による誤差は、次数ｍの判定にはほとんど影響を及ぼさない程度の小さな誤差であり、ここでは問題にはならない。
【0136】
次に、Ｓ１２５０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させる。ここで、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を変更しない。
【0137】
次に、Ｓ１２６０において、制御部５０は、検出部１６０を制御して正側ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部２２０は、周波数解析結果を用いて正側ビート信号が発生した正側周波数Ｆ１を算出する。この段階においても、正側ビート信号に基づいて算出された正側周波数Ｆ１には、ドップラー効果の影響による誤差が含まれていることがある。
【0138】
次に、Ｓ１２７０において、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を第２周波数のまま、周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させる。例えば、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側から負側に切り換える。分岐部１２０は、周波数シフト方向が切り換えられた周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部１４０は、測定光を計測対象物１０に照射する。光ヘッド部１４０は、計測対象物１０から反射された反射光を受光する。そして、ビート信号発生部１５０は、反射光と参照光とを混合して負側ビート信号を発生させる。
【0139】
次に、Ｓ１２８０において、制御部５０は、検出部１６０を制御して負側ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部２２０は、周波数解析結果を用いて負側ビート信号が発生した負側周波数Ｆ２を算出する。この段階においても、負側ビート信号に基づいて算出された負側周波数Ｆ２には、ドップラー効果の影響による誤差が含まれていることがある。この場合、負側周波数Ｆ２に含まれている誤差は、正側周波数Ｆ１に含まれている誤差と比較して、値が略同一で符号が反転していることになる。
【0140】
次に、Ｓ１２９０において、周波数解析部２２０は、次数判定ビート信号、正側ビート信号、および負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。周波数解析部２２０は、一例として、正側周波数Ｆ１および負側周波数Ｆ２の平均値を算出する。これにより、周波数解析部２２０は、平均値と次数ｍとを（数６）式に代入して、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを算出する。表示部１７０は、算出した距離ｄの値を表示する。
【0141】
以上のように、本実施形態に係る測定装置１００は、容易に周波数シフト量および周波数シフト方向を変更できるレーザ装置１１０を備えているので、ドップラー効果の影響を低減させつつ次数ｍを判定し、高精度に計測対象物１０までの距離ｄを測定することができる。
【0142】
［制御部５０の変形例］
以上の本実施形態に係る測定装置１００において、レーザ装置１１０が光ＳＳＢ変調器３０を有し、光ＳＳＢ変調器３０に供給する電圧を切り換えることで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を切り換え可能とする例を説明したが、これに限定されることはない。例えば、測定装置１００は、光ＳＳＢ変調器３０を駆動するＲＦ信号の位相を反転することで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を切り換え可能としてもよい。このような測定装置１００の光ＳＳＢ変調器３０および制御部５０について次に説明する。
以上の本実施形態に係る測定装置１００において、レーザ装置１１０が光ＳＳＢ変調器３０を有し、光ＳＳＢ変調器３０に供給する電圧を切り換えることで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を切り換え可能とする例を説明したが、これに限定されることはない。例えば、測定装置１００は、光ＳＳＢ変調器３０を駆動するＲＦ信号の位相を反転することで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を切り換え可能としてもよい。このような測定装置１００の光ＳＳＢ変調器３０および制御部５０について次に説明する。
【0143】
図１４は、本実施形態に係る制御部５０の変形例を光ＳＳＢ変調器３０と共に示す。図１４に示す光ＳＳＢ変調器３０および変形例の制御部５０において、図３に示された本実施形態に係る光ＳＳＢ変調器３０および制御部５０の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。変形例の制御部５０は、位相差生成部３１０と切換部３２０とを更に有する。
【0144】
変形例の制御部５０において、ＲＦ信号生成部５４は、複数のＲＦ信号を生成する。ＲＦ信号生成部５４は、例えば、位相と周波数が略一致する２つのＲＦ信号を生成する。ＲＦ信号生成部５４は、一例として、１つのＲＦ信号を２つに分岐してもよい。ＲＦ信号生成部５４は、生成した複数のＲＦ信号を位相差生成部３１０に供給する。
【0145】
位相差生成部３１０は、入力する複数のＲＦ信号の位相をそれぞれ異ならせて、予め定められた位相差を有する複数のＲＦ信号を出力する。位相差生成部３１０は、例えば、入力する同位相の２つのＲＦ信号を、略９０度ずつ位相差を有する３つのＲＦ信号にして出力する。例えば、位相差生成部３１０が出力する３つのＲＦ信号のうち第１のＲＦ信号の位相を０度とすると、第２のＲＦ信号の位相は第１のＲＦ信号に対して略９０度異なり、第３のＲＦ信号の位相は第１のＲＦ信号に対して略１８０度異なる。
【0146】
位相差生成部３１０は、一例として、入力する２つのＲＦ信号のうちの一方の位相を９０度異ならせる。また、位相差生成部３１０は、入力する２つのＲＦ信号のうちの他方のＲＦ信号に対して、１８０度位相が異なるＲＦ信号を生成する。言い換えると、位相差生成部３１０は、１つのＲＦ信号（一例として、前述の第２のＲＦ信号）と、当該１つのＲＦ信号に対して位相が±９０度異なる２つのＲＦ信号（一例として、前述の第１および第３のＲＦ信号）とを含む３つのＲＦ信号を生成する。
【0147】
これに代えて、ＲＦ信号生成部５４は、位相と周波数が略一致する３つのＲＦ信号を生成して位相差生成部３１０に供給してもよい。この場合、位相差生成部３１０は、入力する３つのＲＦ信号のうちの１つのＲＦ信号の位相を９０度異ならせ、また、残りの２つのＲＦ信号のうちの一方のＲＦ信号の位相を１８０度異ならせてもよい。
【0148】
そして、位相差生成部３１０は、３つのＲＦ信号のうち、位相差が他の２つのＲＦ信号からそれぞれ９０度異なる１つのＲＦ信号を第１ＲＦ電極３８または第２ＲＦ電極３９に供給する。そして、位相差生成部３１０は、残りの２つのＲＦ信号を切換部３２０に供給する。図１４は、位相差生成部３１０が第２のＲＦ信号を第１ＲＦ電極３８に供給し、第１のＲＦ信号および第３のＲＦ信号を切換部３２０に供給する例を示す。
【0149】
切換部３２０は、入力する２つのＲＦ信号のいずれか一方のＲＦ信号を、第１ＲＦ電極３８および第２ＲＦ電極３９のうち位相差生成部３１０がＲＦ信号を供給していない方の電極に供給する。図１４は、切換部３２０に入力する２つのＲＦ信号のいずれか一方のＲＦ信号が第２ＲＦ電極３９に入力する例を示す。
【0150】
これにより、第１ＲＦ電極３８および第２ＲＦ電極３９にそれぞれ供給される２つのＲＦ信号の位相差は、＋９０度または－９０度となる。また、２つの位相差は、制御部５０が切換部３２０を制御することにより、切り換え可能である。このように、制御部５０が第１ＲＦ電極３８および第２ＲＦ電極３９に供給するＲＦ信号の位相差の正負を反転させることにより、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を切り換えることができる。即ち、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０に供給するＲＦ信号の位相を切り換えることで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を切り換え可能とする。
【0151】
以上のように、光ＳＳＢ変調器３０に供給するＲＦ信号を切り換えることは、スイッチ等の簡便な回路構成で実現することができる。このように変形例の制御部５０は、簡便な回路構成とすることができるので、低コスト、安定、および高速に周波数シフト方向を切り換え可能とすることができる。
【0152】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。
【符号の説明】
【0153】
１０ 計測対象物
２０ ＡＯＦＳ
２１ 光学結晶
２２ 超音波トランスデューサ
２３ 超音波吸収体
２４ 発振器
３０ 光ＳＳＢ変調器
３１ 基板
３２ メインマッハツェンダ導波路
３３ 第１サブマッハツェンダ導波路
３４ 第２サブマッハツェンダ導波路
３５ メインＤＣ電極
３６ 第１サブＤＣ電極
３７ 第２サブＤＣ電極
３８ 第１ＲＦ電極
３９ 第２ＲＦ電極
４１ 第１アーム導波路
４２ 第２アーム導波路
４３ 第１サブアーム導波路
４４ 第２サブアーム導波路
４５ 第３サブアーム導波路
４６ 第４サブアーム導波路
５０ 制御部
５２ 直流電圧生成部
５４ ＲＦ信号生成部
１００ 測定装置
１１０ レーザ装置
１１２ 周波数シフタ
１１４ 増幅媒体
１１６ ＷＤＭカプラ
１１７ ポンプ光源
１１８ 出力カプラ
１２０ 分岐部
１３０ 光サーキュレータ
１４０ 光ヘッド部
１５０ ビート信号発生部
１５２ 光９０度ハイブリッド
１５４ 光電変換部
１６０ 検出部
１６２ 第１フィルタ部
１６４ 第２フィルタ部
１７０ 表示部
２０２ 第１ＡＤ変換部
２０４ 第２ＡＤ変換部
２１０ クロック信号供給部
２２０ 周波数解析部
３１０ 位相差生成部
３２０ 切換部
２０ ＡＯＦＳ
２１ 光学結晶
２２ 超音波トランスデューサ
２３ 超音波吸収体
２４ 発振器
３０ 光ＳＳＢ変調器
３１ 基板
３２ メインマッハツェンダ導波路
３３ 第１サブマッハツェンダ導波路
３４ 第２サブマッハツェンダ導波路
３５ メインＤＣ電極
３６ 第１サブＤＣ電極
３７ 第２サブＤＣ電極
３８ 第１ＲＦ電極
３９ 第２ＲＦ電極
４１ 第１アーム導波路
４２ 第２アーム導波路
４３ 第１サブアーム導波路
４４ 第２サブアーム導波路
４５ 第３サブアーム導波路
４６ 第４サブアーム導波路
５０ 制御部
５２ 直流電圧生成部
５４ ＲＦ信号生成部
１００ 測定装置
１１０ レーザ装置
１１２ 周波数シフタ
１１４ 増幅媒体
１１６ ＷＤＭカプラ
１１７ ポンプ光源
１１８ 出力カプラ
１２０ 分岐部
１３０ 光サーキュレータ
１４０ 光ヘッド部
１５０ ビート信号発生部
１５２ 光９０度ハイブリッド
１５４ 光電変換部
１６０ 検出部
１６２ 第１フィルタ部
１６４ 第２フィルタ部
１７０ 表示部
２０２ 第１ＡＤ変換部
２０４ 第２ＡＤ変換部
２１０ クロック信号供給部
２２０ 周波数解析部
３１０ 位相差生成部
３２０ 切換部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【手続補正書】
【提出日】2023-10-03
【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】
複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置であって、
入力する光を増幅する増幅媒体と、
前記増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光ＳＳＢ変調器と
を有するレーザ共振器と、
前記光ＳＳＢ変調器を制御して、前記光ＳＳＢ変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部と
を有する、前記レーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
入力する光を増幅する増幅媒体と、
前記増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光ＳＳＢ変調器と
を有するレーザ共振器と、
前記光ＳＳＢ変調器を制御して、前記光ＳＳＢ変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部と
を有する、前記レーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
【請求項2】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を設定する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項3】
前記光ＳＳＢ変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧およびＲＦ信号を供給し、周波数を変更して前記周波数シフト量を設定する、請求項２に記載の測定装置。
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧およびＲＦ信号を供給し、周波数を変更して前記周波数シフト量を設定する、請求項２に記載の測定装置。
【請求項4】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の周波数シフト方向を設定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項5】
前記光ＳＳＢ変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧を供給して前記周波数シフト方向を切り換える、請求項４に記載の測定装置。
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧を供給して前記周波数シフト方向を切り換える、請求項４に記載の測定装置。
【請求項6】
前記光ＳＳＢ変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に供給するＲＦ信号の位相を反転して、前記周波数シフト方向を切り換える、請求項４に記載の測定装置。
基板と、
前記基板に設けられており、第１アーム導波路および第２アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第１アーム導波路に設けられている第１サブマッハツェンダ導波路と、
前記第２アーム導波路に設けられている第２サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第１サブマッハツェンダ導波路、および前記第２サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に供給するＲＦ信号の位相を反転して、前記周波数シフト方向を切り換える、請求項４に記載の測定装置。
【請求項7】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を第１周波数と前記第１周波数よりも大きい第２周波数とのいずれかに設定してから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、
前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数にした場合に発生した次数判定ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項２又は３に記載の測定装置。
前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数にした場合に発生した次数判定ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項２又は３に記載の測定装置。
【請求項8】
前記制御部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に切り換えてから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、
前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項４から６のいずれか一項に記載の測定装置。
前記検出部は、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項４から６のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項9】
前記検出部は、前記ビート信号を周波数解析することにより得られた前記ビート信号の周波数ν
Ｂ
（ｍ、ｄ）を用いて、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差ｄを次式により算出し、
ここで、ｃは光速、νｓは前記周波数変調レーザ光の周波数シフト量、νｃは１／τ
ＲＴ
、τ
ＲＴ
は前記レーザ装置の共振器を光が１周する時間、ｍは前記周波数変調レーザ光の縦モード番号の間隔である、
請求項１に記載の測定装置。
請求項１に記載の測定装置。
【請求項10】
前記ビート信号発生部は、前記反射光および前記参照光を直交検波する、請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項11】
光ＳＳＢ変調器の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記正側ビート信号および前記負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記正側ビート信号および前記負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
【請求項12】
光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を第１周波数に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、距離測定ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号および前記距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、距離測定ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号および前記距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
【請求項13】
光ＳＳＢ変調器の周波数シフト量を第１周波数に設定し、周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数のまま、前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号、前記正側ビート信号、および前記負側ビート信号に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光ＳＳＢ変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第１周波数よりも大きい第２周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光ＳＳＢ変調器の前記周波数シフト量を前記第２周波数のまま、前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号、前記正側ビート信号、および前記負側ビート信号に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。