特許 7558712 測定装置および測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-20

(45)【発行日】2024-10-01

(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 20200101AFI20240924BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20240924BHJP

【ＦＩ】

G01S17/34

G01C3/06 120Q

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020138140

(22)【出願日】2020-08-18

(65)【公開番号】P2022034379

(43)【公開日】2022-03-03

【審査請求日】2023-07-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100166006

【弁理士】

【氏名又は名称】泉 通博

(74)【代理人】

【識別番号】100154070

【弁理士】

【氏名又は名称】久恒 京範

(74)【代理人】

【識別番号】100153280

【弁理士】

【氏名又は名称】寺川 賢祐

(72)【発明者】

【氏名】小松崎 晋路

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 義将

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 知隆

【審査官】藤脇 昌也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０３４５４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１６６０４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２０８２５７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１

１７／００ － １７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００ － ３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、
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、前記周波数変調レーザ光を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する周波数解析部と、
前記計測対象物がない状態において前記ビート信号発生部が出力した基準信号を周波数信号に変換した基準周波数信号を記憶する記憶部と、
前記周波数解析部が前記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算出する算出部と、
前記測定光を出射する出射端面と前記計測対象物との間に設けられており、前記出射端面から前記計測対象物に前記測定光が照射することを遮断可能なシャッター部と、
前記シャッター部を制御して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する場合は前記シャッター部を開けて前記測定光を前記計測対象物に照射させ、前記基準周波数信号を取得する場合は前記シャッター部を閉じて前記測定光を遮断する制御部と
を備え、
前記ビート信号発生部は、前記出射端面から反射された端面反射光と前記参照光とが混合して発生する基準ビート信号を含む信号を前記基準信号として出力し、
前記周波数解析部は、前記ビート信号を周波数信号に変換した後の信号レベルから前記基準周波数信号の信号レベルを周波数毎に差し引いてから前記ビート信号の周波数を特定する、測定装置。

【請求項2】

前記制御部は、予め定められた時間が経過したことに応じて前記シャッター部を閉じて前記測定光を遮断し、前記周波数解析部が変換した周波数信号を記憶部に記憶して前記基準周波数信号を更新させる、請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記算出部は、前記周波数解析部が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、

【数1】

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または２に記載の測定装置。

【請求項4】

計測対象物までの距離を測定する測定装置の測定方法であって、
周波数変調レーザ光を出力するステップと、
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、前記周波数変調レーザ光を分岐させるステップと、
前記計測対象物がない状態において、前記測定光を出射する出射端面から反射された端面反射光と、前記参照光とを混合して基準ビート信号を含む信号を基準信号として出力するステップと、
前記基準信号を周波数信号に変換した情報を基準周波数信号として記憶するステップと、
前記測定光を前記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複数のビート信号を発生させるステップと、
前記ビート信号を周波数変換した周波数信号の信号レベルから前記基準周波数信号の信号レベルを周波数毎に差し引いた周波数信号を、周波数解析するステップと、
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算出するステップと、
前記出射端面と前記計測対象物との間に設けられており、前記出射端面から前記計測対象物に前記測定光が照射することを遮断可能なシャッター部を制御して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する場合は前記シャッター部を開けて前記測定光を前記計測対象物に照射させるステップと、
前記基準周波数信号を取得する場合は前記シャッター部を閉じて前記測定光を遮断するステップと
を有する、測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第３５８３９０６号明細書

【非特許文献】

【0004】

【文献】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】

光学式距離計は、周波数シフト帰還レーザを参照光と測定光とに分岐して、測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と参照光とを混合してビート信号を発生させていた。そして、光学式距離計は、ビート信号の周波数を特定することにより、当該光学式距離計から計測対象物までの距離を測定していた。このような光学式距離計において、測定光を計測対象物に向けて出射する出射端で反射光が発生してしまうことがあった。出射端の反射光は、測定光の反射光と同様に、参照光と混合してビート信号を発生させてしまうことがあり、光学式距離計の測定精度を低減させてしまうことがあった。

【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、光学式距離計においてレーザ光の出射端における反射光が生じても、簡便な構成で測定精度の低減を抑制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、周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、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、前記周波数変調レーザ光を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する周波数解析部と、前記計測対象物がない状態において前記ビート信号発生部が出力した基準信号を周波数信号に変換した基準周波数信号を記憶する記憶部と、前記周波数解析部が前記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算出する算出部とを備え、前記周波数解析部は、前記ビート信号を周波数信号に変換した後の信号レベルから前記基準周波数信号の信号レベルを周波数毎に差し引いてから前記ビート信号の周波数を特定する、測定装置を提供する。

【0008】

前記ビート信号発生部は、前記測定光を出射する出射端面から反射された端面反射光と前記参照光とが混合して発生する基準ビート信号を含む信号を前記基準信号として出力してもよい。

【0009】

前記測定装置は、前記出射端面と前記計測対象物との間に設けられており、前記出射端面から前記計測対象物に前記測定光が照射することを遮断可能なシャッター部と、前記シャッター部を制御して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する場合は前記シャッター部を開けて前記測定光を前記計測対象物に照射させ、前記基準周波数信号を取得する場合は前記シャッター部を閉じて前記測定光を遮断する制御部とを更に備えてもよい。

【0010】

前記制御部は、予め定められた時間が経過したことに応じて前記シャッター部を閉じて前記測定光を遮断し、前記周波数解析部が変換した周波数信号を記憶部に記憶して前記基準周波数信号を更新させてもよい。

【0011】

前記算出部は、前記周波数解析部が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てもよく、

【数1】

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。

【0012】

本発明の第２の態様においては、計測対象物までの距離を測定する測定装置の測定方法であって、周波数変調レーザ光を出力するステップと、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、前記周波数変調レーザ光を分岐させるステップと、前記計測対象物がない状態において、前記測定光を出射する出射端面から反射された端面反射光と、前記参照光とを混合して基準ビート信号を含む信号を基準信号として出力するステップと、前記基準信号を周波数信号に変換した情報を基準周波数信号として記憶するステップと、前記測定光を前記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複数のビート信号を発生させるステップと、前記ビート信号を周波数変換した周波数信号の信号レベルから前記基準周波数信号の信号レベルを周波数毎に差し引いた周波数信号を、周波数解析するステップと、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算出するステップとを有する、測定方法を提供する。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、光学式距離計においてレーザ光の出射端における反射光が生じても、簡便な構成で測定精度の低減を抑制できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】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2】本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。

【図3】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】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5】本実施形態に係るビート信号発生部１５０および周波数解析部１６０の構成例を示す。

【図6】本実施形態に係るビート信号発生部１５０および周波数解析部１６０の直交検波の概略の一例を示す。

【図7】本実施形態に係る周波数解析部１６０が、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数変換した周波数信号の一例を示す。

【図8】本実施形態に係る記憶部１９０が記憶している基準周波数信号の一例を示す。

【図9】本実施形態に係る周波数解析部１６０が距離測定用信号から基準周波数信号を差し引いた結果の一例を示す。

【図10】本実施形態に係る測定装置１００の変形例を計測対象物１０と共に示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

［測定装置１００の構成例］
図１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と共に示す図である。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、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、周波数解析部１６０と、算出部１７０と、表示部１８０と、記憶部１９０とを備える。

【0016】

レーザ装置１１０は、レーザ共振器を有し、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１１０は、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。レーザ装置１１０は、一例として、周波数シフト帰還レーザである。周波数シフト帰還レーザについては後述する。

【0017】

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、周波数変調レーザ光を分岐させる。分岐部１２０は、一例として、１入力２出力の光ファイバ型の光カプラである。図１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。

【0018】

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１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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

周波数解析部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する。周波数解析部１６０は、例えば、ビート信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を周波数信号に周波数変換する。そして、周波数解析部１６０は、周波数変換した周波数信号を解析してビート信号の周波数を検出する。ここで、ビート信号の周波数をν_Ｂとする。

【0025】

算出部１７０は、周波数解析部１６０が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。算出部１７０は、ビート信号の周波数ν_Ｂに基づき、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄを算出する。周波数解析部１６０および算出部１７０の少なくとも一部は、集積回路等で構成されていることが望ましい。周波数解析部１６０および算出部１７０の少なくとも一部は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および／またはＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。

【0026】

表示部１８０は、算出部１７０の算出結果を表示する。表示部１８０は、ディスプレイ等を有し、算出結果を表示してよい。また、表示部１８０は、記憶部１９０等に算出結果を記憶させてもよい。表示部１８０は、ネットワーク等を介して外部に算出結果を供給してもよい。

【0027】

記憶部１９０は、周波数解析部１６０および算出部１７０が動作の過程で生成する、または動作の過程で利用する、中間データ、算出結果、設定値、閾値、およびパラメータ等を記憶してもよい。記憶部１９０は、測定装置１００内の各部の要求に応じて、記憶したデータを要求元に供給してもよい。

【0028】

記憶部１９０は、ＣＰＵ等が周波数解析部１６０および算出部１７０の少なくとも一部として動作する場合、周波数解析部１６０および算出部１７０として機能するＯＳ（Operating System）、およびプログラムの情報を格納してもよい。また、記憶部１９０は、当該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もよい。例えば、コンピュータは、記憶部１９０に記憶されたプログラムを実行することによって、周波数解析部１６０および算出部１７０として機能する。

【0029】

記憶部１９０は、例えば、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１９０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もよい。また、コンピュータは、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を更に備えてもよい。

【0030】

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ｄ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。測定装置１００のより詳細な構成について次に説明する。

【0031】

［レーザ装置１１０の構成例］
図２は、本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。図２のレーザ装置１１０は、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と、出力カプラ１１８とを含むレーザ共振器を有する。

【0032】

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シフトする。周波数シフタ１１２は、一例として、音響光学素子を有するＡＯＦＳ（Acousto-Optic Frequency Shifter）である。ここで、周波数シフタ１１２による周波数シフト量を＋ν_ｓとする。即ち、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ν_ｓだけ周波数が増加するようにシフトさせる。

【0033】

増幅媒体１１４は、ポンプ光が供給され、入力光を増幅する。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。

【0034】

即ち、図２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。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。

【0035】

図３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３は、時刻ｔ_０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τ_ＲＴ（＝１／ν_Ｃ）とすると、複数の縦モードは、次式のように１／τ_ＲＴ（＝ν_Ｃ）間隔で並ぶことになる。なお、ν_０は、時刻ｔ_０における光スペクトルの初期周波数とする。また、ν_Ｃは、レーザ共振器の共振周波数ν_ｃである。

【数2】

【0036】

図３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３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３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ｔ_０における瞬時周波数を左側に示したものである。

【0037】

レーザ装置１１０は、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ν_ｓだけ増加させる。即ち、時間がτ_ＲＴ経過する毎に、各モードの周波数はν_ｓだけ増加するので、周波数の時間変化ｄν／ｄｔは、ν_ｓ／τ_ＲＴと略等しくなる。したがって、（数２）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3】

【0038】

［距離測定処理の詳細］
本実施形態に係る測定装置１００は、（数３）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4】

【0039】

一方、時刻ｔにおける参照光は、（数３）式と同様に次式で示すことができる。ここで、参照光をν_ｑ’（ｔ）とした。

【数5】

【0040】

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４）式の複数の縦モードと（数５）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ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とすると、ν_Ｂ（ｍ，ｄ）は、（数４）式および（数５）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、ｃを光速とした。

【数6】

【0041】

（数６）式より、距離ｄは、次式のように示される。ここで、１／τ_ＲＴ＝ν_Ｃとした。

【数7】

【0042】

（数７）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、レーザ装置１１０の周波数シフト量ν_ｓ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。このような間隔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。

【0043】

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。

【0044】

図４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４の横軸は距離ｄを示し、縦軸はビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）を示す。図４の実線で示す複数の直線は、（数７）式に示したように、距離ｄに対するビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）の関係を、複数のｍ毎に示したグラフである。

【0045】

図４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ν_Ｃ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ν_Ｃ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。

【0046】

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ν_Ｂ（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４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４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ν_Ｃ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ν_Ｃ／２にならない限り、それぞれ異なる周波数に位置する。

【0047】

このように、周波数０からν_Ｃの間の観測帯域においては、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）と、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とはｍの値が異なるイメージ信号ν_Ｂ（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および周波数解析部１６０について、次に説明する。

【0048】

図５は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および周波数解析部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、第１光電変換部１５４と、第２光電変換部１５６とを有する。

【0049】

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つに分岐させる。光９０度ハイブリッド１５２は、分岐させた一方の反射光と、分岐させ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、分岐させた他方の反射光と、分岐させ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、分岐させた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、分岐させた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。

【0050】

第１光電変換部１５４および第２光電変換部１５６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。第１光電変換部１５４および第２光電変換部１５６のそれぞれは、フォトダイオード等でよい。第１光電変換部１５４および第２光電変換部１５６のそれぞれは、一例として、バランス型フォトダイオードである。図５において、第１光電変換部１５４が第１ビート信号を発生させ、第２光電変換部１５６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つのビート信号を周波数解析部１６０に出力する。

【0051】

周波数解析部１６０は、２つのビート信号を周波数解析する。ここでは、周波数解析部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。周波数解析部１６０は、第１フィルタ部１６２、第２フィルタ部１６４、第１ＡＤ変換器２０２、第２ＡＤ変換器２０４、クロック信号供給部２１０、および信号処理部２２０を有する。

【0052】

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ν_Ｃ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ν_Ｃ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ν_Ｃ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変換器２０２に供給する。また、第２フィルタ部１６４は、周波数ν_Ｃ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変換器２０４に供給する。

【0053】

第１ＡＤ変換器２０２および第２ＡＤ変換器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変換器２０２は第１ビート信号をデジタル信号に変換し、第２ＡＤ変換器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変換器２０２および第２ＡＤ変換器２０４にクロック信号を供給する。これにより、第１ＡＤ変換器２０２および第２ＡＤ変換器２０４は、受け取ったクロック信号のクロック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。

【0054】

ここで、観測帯域を０からν_Ｃ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器周波数ν_Ｃ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器周波数ν_Ｃの２倍以上の周波数のクロック信号を、第１ＡＤ変換器２０２および第２ＡＤ変換器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。

【0055】

信号処理部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。信号処理部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。信号処理部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。なお、周波数解析部１６０は、ビート信号がデジタル信号に変換された後は、集積回路等で信号処理部２２０を構成してよい。以上のビート信号発生部１５０における直交検波と周波数解析部１６０における周波数解析について、次に述べる。

【0056】

図６は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および周波数解析部１６０の直交検波の概略の一例を示す。図６の横軸はビート信号の周波数、縦軸は信号強度を示す。図６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６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ν_Ｃの間の周波数帯域に、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）が観測される。この場合、Ｉ信号およびＱ信号は、負側の周波数０から－ν_Ｃの間の周波数帯域に、ビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号の元のビート信号－ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）が存在する。

【0057】

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ν_Ｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号のイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）とＱ信号のイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）とは、互いに位相が反転する。同様に、負側の周波数０から－ν_Ｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号のビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とＱ信号のビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とは、互いに位相が反転する。

【0058】

したがって、図６の下側に示すように、信号処理部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ν_Ｃの間の周波数帯域において、周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）のビート信号が強め合い、周波数ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）のイメージ信号が相殺される。同様に、周波数０から－ν_Ｃの間の周波数帯域において、周波数－ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）のビート信号が強め合い、周波数－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）のビート信号が相殺される。

【0059】

このような信号処理部２２０の周波数解析結果により、周波数０からν_Ｃの間の周波数帯域には１つのビート信号が周波数ν_Ｂ（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、ビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）を検出することができる。例えば、信号処理部２２０は、変換した周波数信号の信号強度が最も高くなる周波数をビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）として出力する。

【0060】

ここで、測定装置１００が測定する距離ｄは、（数７）式で示されている。（数７）式より、ν_Ｃ、ν_ｓ、およびν_Ｂ（ｍ，ｄ）の３つの周波数を用いることで、距離ｄが算出できることがわかる。３つの周波数のうち、ν_Ｂ（ｍ，ｄ）は、以上のように、検出できることがわかる。また、ν_Ｃおよびν_ｓは、レーザ装置１１０の部材によって定まる周波数なので、固定値として取り扱うことができる。したがって、算出部１７０は、周波数解析部１６０が検出したビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）と、予め定められたν_Ｃおよびν_ｓを用いて、距離ｄを算出する。以上のように、測定装置１００は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄを測定することができる。また、測定装置１００は、距離ｄに基準位置に対応するオフセット値を加算して、基準位置から計測対象物１０までの距離を算出して出力してもよい。

【0061】

［端面反射光の影響を低減させる測定装置１００］
以上の測定装置１００は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０に向けて測定光を照射するが、光ヘッド部１４０の測定光を出射する出射端面で反射光が発生してしまうことがある。例えば、測定光を光ファイバから出射している場合、当該ファイバの端面で反射光が生じることがある。また、光ヘッド部１４０がコリメータレンズ、集光レンズ等の光学レンズを用いて測定光を出射している場合、測定光が入射するレンズの表面で反射光が生じることがある。本実施形態において、このような反射光を端面反射光とする。

【0062】

端面反射光は、測定光が計測対象物１０に照射して反射された反射光と同様に、参照光と混合してビート信号を発生させてしまうことがある。この場合、ビート信号発生部１５０は、測定光の反射光および参照光によるビート信号と、端面反射光および参照光によるビート信号との２つのビート信号を発生させることになる。

【0063】

図７は、本実施形態に係る周波数解析部１６０が、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数変換した周波数信号の一例を示す。図７は、端面反射光により、ビート信号発生部１５０が２つのビート信号を発生させた例を示す。図７において、横軸が周波数、縦軸が信号レベルを示す。周波数信号には、計測対象物１０で反射した反射光に基づくビート信号の周波数スペクトルに、端面反射光に基づくビート信号の周波数スペクトルが重畳している。ここで、計測対象物１０で反射した反射光に基づくビート信号のピーク周波数をν_Ｂとし、端面反射光に基づくビート信号のピーク周波数をν_Ｂ’とする。このように、端面反射光が発生していることにより、２つの周波数スペクトルが重畳している周波数信号を、本実施形態では距離測定用信号とする。

【0064】

周波数解析部１６０がこのような距離測定用信号を解析すると、２つのビート信号のうち、端面反射光に基づくビート信号ν_Ｂ’を解析すべきビート信号として処理してしまうことがある。この場合、算出部１７０が算出する距離は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄとは異なってしまう。

【0065】

また、例えば、図７に示すような周波数領域において、２つの周波数スペクトルのピークが分離できない程度に２つのビート信号の周波数が近接してしまうことがある。この場合、周波数解析部１６０がこのようなビート信号を解析しても、計測対象物１０で反射した反射光に基づくビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）を精度よく出力することができなくなってしまう。

【0066】

そこで、本実施形態に係る測定装置１００は、レーザ光の出射端において端面反射光が発生しても、簡便な構成で測定精度の低減を抑制できるようにする。このような測定装置１００の機能は、例えば、図１から図６を用いて説明した動作に、周波数解析部１６０と記憶部１９０とによる特定の動作を追加することで実現できる。

【0067】

ここで、測定装置１００は、距離を測定するための周波数変調レーザ光を光ヘッド部１４０から出力し、計測対象物１０がない状態においてビート信号発生部１５０が出力した信号を、基準信号とする。計測対象物１０がない状態とは、例えば、計測対象物１０を設置する前の状態、計測対象物１０を除去した状態、計測対象物１０が配置されている方向とは異なる方向に周波数変調レーザ光を照射した状態等である。言い換えると、レーザ装置１１０は周波数変調レーザ光を出力してはいるが、計測対象物１０からの反射光を光ヘッド部１４０が受光していない状態を計測対象物１０がない状態とする。

【0068】

この場合において、端面反射光が発生していると、計測対象物１０がなくても、ビート信号発生部１５０は、測定光を出射する出射端面から反射された端面反射光と参照光とを混合してビート信号を発生させる。このような端面反射光に基づくビート信号を基準ビート信号とする。そして、ビート信号発生部１５０は、基準ビート信号を含む信号を基準信号として出力する。

【0069】

記憶部１９０は、計測対象物１０がない状態においてビート信号発生部１５０が出力した基準信号を周波数解析部１６０が周波数信号に変換した基準周波数信号を記憶する。記憶部１９０は、基準周波数信号を予め記憶していることが望ましい。これに代えて、記憶部１９０は、測定装置１００が計測対象物１０に対する距離測定を実行した後に、計測対象物１０を除去して基準信号を発生させた場合に変換された基準周波数信号を記憶してもよい。

【0070】

図８は、本実施形態に係る記憶部１９０が記憶している基準周波数信号の一例を示す。図８において、横軸が周波数、縦軸が信号レベルを示す。記憶部１９０は、図８に示すような基準信号の周波数信号を基準周波数信号として記憶する。

【0071】

そして、周波数解析部１６０は、ビート信号を周波数信号に変換した後の信号レベルから基準周波数信号の信号レベルを周波数毎に差し引いてからビート信号の周波数を特定する。周波数解析部１６０は、例えば、図７に示す距離測定用信号から、図８に示す基準周波数信号を差し引く。

【0072】

図９は、本実施形態に係る周波数解析部１６０が距離測定用信号から基準周波数信号を差し引いた結果の一例を示す。図９において、横軸が光の周波数、縦軸が信号レベルを示す。図９より、２つの周波数スペクトルが重畳された周波数信号から、端面反射光に基づく基準ビート信号の周波数スペクトルが差し引かれたことがわかる。これにより、周波数解析部１６０は、計測対象物１０で反射した反射光に基づくビート信号の周波数スペクトルを解析して、当該ビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）を出力することができる。

【0073】

そして、算出部１７０は、周波数解析部１６０がビート信号を周波数解析することにより得られたビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ、ｄ）を用いて、参照光と測定光との伝搬距離の差ｄを（数７）式により算出する。以上のように、本実施形態に係る測定装置１００は、ビート信号発生部１５０が出力する距離測定用信号の信号レベルから基準周波数信号の信号レベルを差し引くので、レーザ光の出射端における端面反射光の距離測定結果に与える影響を低減させることができる。

【0074】

例えば、周波数解析部１６０が端面反射光に基づく基準ビート信号を解析すべきビート信号として処理してしまうことを低減させて、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄを測定することができる。また、計測対象物１０で反射した反射光に基づくビート信号の周波数スペクトルのピークと、基準ビート信号の周波数スペクトルのピークとが分離できない程度に近接して重畳していても、測定装置１００は、重畳された光スペクトルから基準ビート信号の周波数スペクトルを差し引く。これにより、測定装置１００は、計測対象物１０で反射した反射光に基づくビート信号の周波数スペクトルを解析することができ、距離ｄを精度良く測定できる。

【0075】

［測定装置１００の変形例］
以上の本実施形態における測定装置１００は、計測対象物１０がない状態においてビート信号発生部１５０が出力した基準信号を周波数信号に変換した信号を基準周波数信号として記憶する例を説明した。ここで、測定装置１００は、計測対象物１０に周波数変調レーザ光を照射する状態と照射しない状態とを容易に切り換えられるように構成されていてもよい。このような測定装置１００について次に説明する。

【0076】

図１０は、本実施形態に係る測定装置１００の変形例を計測対象物１０と共に示す。本変形例の測定装置１００において、図１に示された本実施形態に係る測定装置１００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。本変形例の測定装置１００は、シャッター部３１０と、制御部３２０とを更に備える。

【0077】

シャッター部３１０は、測定光を出射する出射端面と計測対象物１０との間に設けられており、出射端面から計測対象物１０に測定光が照射することを遮断可能とする。例えば、測定装置１００と計測対象物１０との光学系の配置が完了した場合において、シャッター部３１０を開けると測定光は計測対象物１０に照射可能となり、シャッター部３１０を閉じると測定光は遮断されて計測対象物１０に照射できなくなる。

【0078】

シャッター部３１０は、光ヘッド部１４０と計測対象物１０との間に設けられていてもよく、これに代えて、光ヘッド部１４０に設けられていてもよい。シャッター部３１０は、例えば、測定光を遮断するための板状部材が移動可能に設けられている。この場合、測定光の光軸上に板状部材が移動することにより、シャッター部３１０は閉じた状態となる。

【0079】

制御部３２０は、シャッター部３１０を制御して、参照光と測定光との伝搬距離の差ｄを算出する場合はシャッター部３１０を開けて測定光を計測対象物１０に照射させる。これにより、端面反射光が発生している場合、ビート信号発生部が出力する信号を周波数解析部１６０が周波数変換した周波数信号は、距離測定用信号となる。また、制御部３２０は、基準周波数信号を取得する場合、シャッター部３１０を閉じて測定光を遮断する。これにより、端面反射光が発生している場合、ビート信号発生部が出力する信号を周波数解析部１６０が周波数変換した周波数信号は、基準周波数信号となる。

【0080】

制御部３２０は、例えば、シャッター部３１０を閉じた場合、周波数解析部１６０を制御して、周波数解析部１６０が基準ビート信号を周波数変換した基準周波数信号を記憶部１９０に記憶させる。また、制御部３２０は、例えば、シャッター部３１０を開けた場合、周波数解析部１６０を制御して、記憶部１９０から基準周波数信号を読み出して距離測定用信号から基準周波数信号を差し引いた周波数信号を周波数解析させる。

【0081】

これにより、以上の本変形例の測定装置１００は、測定装置１００または計測対象物１０を移動させることなしに、計測対象物１０に測定光を照射させない状態と測定光を照射させる状態とを容易に切り換えることができる。したがって、測定装置１００は、端面反射光が発生しても、速やかに光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを測定することができる。

【0082】

制御部３２０は、例えば、周波数解析部１６０および算出部１７０と同様に、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、および／またはＣＰＵを含む。なお、周波数解析部１６０、算出部１７０、および制御部３２０は、１つのＣＰＵで構成されていてもよい。

【0083】

なお、測定装置１００を構成している各部の定数等は、環境の変化に応じて変化することがあり、また、経時的にも変化することがある。例えば、光ファイバの長さ、光学部品の配置、電子回路素子の回路定数等は、環境的にも経時的にも変化する。この場合、端面反射光に基づく基準ビート信号の周波数は、測定装置１００の内部の定数の変化に対応して変化してしまうことがある。

【0084】

この場合、記憶部１９０に記憶されている基準周波数信号は、変化する前の基準ビート信号の周波数信号である。したがって、距離測定用信号の信号レベルから記憶部１９０に記憶されている基準周波数信号の信号レベルを差し引いた周波数信号は、計測対象物１０で反射した反射光に基づくビート信号の周波数スペクトルとは異なる形状の周波数スペクトルになってしまうことがある。この場合、測定装置１００は、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを精度よく測定できなくなってしまう。

【0085】

そこで、本変形例の制御部３２０は、予め定められた時間が経過したことに応じてシャッター部３１０を閉じて測定光を遮断し、周波数解析部１６０が変換した周波数信号を記憶部１９０に記憶して基準周波数信号を更新させる。これにより、環境変化および／または経時的な変化により、基準周波数信号が変化しても、測定装置１００は、記憶部１９０に記憶されている基準周波数信号を更新することにより、測定精度が低減してしまうことを抑制できる。

【0086】

なお、測定装置１００は、ユーザから基準周波数信号の更新を実行することを受け付ける受付部が更に設けられていてもよい。そして、受付部が基準周波数信号の更新の実行を受け付けた場合、測定装置１００は、基準周波数信号を更新する。これにより、ユーザは、意図したタイミングで基準周波数信号を更新することができ、例えば、急激な環境変動が生じても、測定精度が低減してしまうことを抑制することができる。

【0087】

以上の本変形例の測定装置１００において、シャッター部３１０が測定光を遮断可能に設けられている例を説明したが、これに限定されることはない。例えば、シャッター部３１０に代えて、測定光の光の進路を変更させるミラー等が移動可能に設けられてもよい。また、測定光の光の強度を低減させるフィルタ等が移動可能に設けられてもよい。

【0088】

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】

【0089】

１０ 計測対象物
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 第１光電変換部
１５６ 第２光電変換部
１６０ 周波数解析部
１６２ 第１フィルタ部
１６４ 第２フィルタ部
１７０ 算出部
１８０ 表示部
１９０ 記憶部
２０２ 第１ＡＤ変換器
２０４ 第２ＡＤ変換器
２１０ クロック信号供給部
２２０ 信号処理部
３１０ シャッター部
３２０ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】