特表 2023-551942 多光子検出を用いたデュアルコム距離計測のための装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-13

(54)【発明の名称】多光子検出を用いたデュアルコム距離計測のための装置および方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/4861 20200101AFI20231206BHJP

   G01S 17/18 20200101ALI20231206BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

G01S7/4861

G01S17/18

G01C3/06 120Q

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023533798

(86)(22)【出願日】2021-12-01

(85)【翻訳文提出日】2023-07-28

(86)【国際出願番号】 GB2021053134

(87)【国際公開番号】W WO2022118014

(87)【国際公開日】2022-06-09

(31)【優先権主張番号】2019025.2

(32)【優先日】2020-12-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】391002306

【氏名又は名称】レニショウ パブリック リミテッド カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＩＳＨＡＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ニコラス ジョン ウェストン

(72)【発明者】

【氏名】デリック テルフォード レイド

(72)【発明者】

【氏名】ホリー ライト

【テーマコード（参考）】

2F112

5J084

【Ｆターム（参考）】

2F112AD01

2F112BA06

2F112CA12

2F112DA25

2F112DA28

2F112EA05

2F112FA03

2F112FA07

2F112FA21

2F112FA45

5J084AA05

5J084AD01

5J084BA03

5J084BA08

5J084BA36

5J084BA38

5J084BA56

5J084BA60

5J084BB02

5J084BB04

5J084BB15

5J084BB16

5J084BB31

5J084BB40

5J084CA03

5J084CA27

5J084CA31

5J084CA49

5J084CA80

5J084EA04

5J084EA33

(57)【要約】

光学的距離測定装置または測距装置について記載されている。装置は、ゲートパルス列およびプローブパルス列を発生するための少なくとも１つの光パルス発生器（３０，３２；８０，９４；１２０，１２２；１８０，２０２；３００，３２０）を含み、ゲートパルス列は、プローブパルス列とは異なる繰り返しレートを有する。ゲートパルスおよびプローブパルスは、異なるフリーランニング、モードロックレーザによって発生された超短レーザパルスであり得る。光学的プローブ構成はまた、プローブパルス列を１つまたは複数のオブジェクト（４２、４４、８４、８６、１８８、１９０、２３２、２３４、２３６、３０６、３１０）に向けて方向づけるために、および１つまたは複数のオブジェクトから戻される戻りプローブパルスを収集するためにも提供される。オブジェクトは、ターゲットオブジェクトおよびリファレンスオブジェクトを含み得る。装置は、多光子エフェクト検出器（５８、１０４、１４０、２１０、３２４、３３０）を備え、ゲートパルス列と戻りプローブパルスの両方を多光子エフェクト検出器に向けるように構成される。装置は、工業検査、機械較正、位置測定などに使用し得る。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学的距離測定装置であって、
ゲートパルス列およびプローブパルス列を生成するための少なくとも１つの光パルス発生器であって、前記ゲートパルス列は、前記プローブパルス列とは異なる繰り返しレートを有する、前記少なくとも１つの光パルス発生器と、
前記プローブパルス列を１つまたは複数のオブジェクトに向けて方向づけるため、および、前記１つまたは複数のオブジェクトから戻される戻りプローブパルスを収集するための光学的プローブ配置と、
を備え、
多光子エフェクト検出器を備え、前記ゲートパルス列と前記戻りプローブパルスの両方を多光子エフェクト検出器に向けて方向づけるように構成されることを特徴とする光学的距離測定装置。

【請求項2】

前記多光子エフェクト検出器は、前記ゲートパルスおよび前記プローブパルスの前記単一の光子の前記光子エネルギーよりも大きいバンドギャップを有する、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記多光子エフェクト検出器は、２光子エフェクト検出器を備え、ゲートパルス光子とプローブパルス光子との結合エネルギーは、前記２光子エフェクト検出器のバンドギャップよりも大きい、請求項１または２に記載の装置。

【請求項4】

前記多光子エフェクト検出器は、シリコンを含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項5】

前記多光子エフェクト検出器は、複数の検出器素子を備える、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。

【請求項6】

前記多光子エフェクト検出器の前記出力を時間の関数として解析するための解析器を備える、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置。

【請求項7】

少なくとも１つのピーク検出器および少なくとも１つのタイマを含む飛行時間モニタを備え、前記少なくとも１つのピーク検出器は、前記多光子エフェクト検出器の前記出力のピークを検出するように構成され、前記少なくとも１つのタイマは、前記検出されたピーク間の前記時間を測定するように構成される、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項8】

前記少なくとも１つの光パルス発生器が、前記プローブパルス列を生成するためのプローブモードロックレーザと、前記ゲートパルス列を生成するための局所発振器モードロックレーザとを備える、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の装置。

【請求項9】

前記プローブモードロックレーザおよび前記局所発振器モードロックレーザは、両方ともフリーランニングモードロックレーザである、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記装置の前記光学的構成が、前記多光子エフェクト検出器における前記ゲートパルスおよび前記プローブパルスの光干渉を実質的に防止する、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の装置。

【請求項11】

前記ゲートパルスは、前記多光子エフェクト検出器に到達するとき、前記戻りプローブパルスとは異なる偏光状態を有する、請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

前記ゲートパルスが、前記プローブパルスとは異なる光学波長を有する、請求項１０または１１に記載の装置。

【請求項13】

前記１つまたは複数のオブジェクトは、リファレンスオブジェクトおよび１つまたは複数の遠隔に位置するターゲットオブジェクトを含み、前記戻りプローブパルスは、前記リファレンスオブジェクトから戻されたリファレンスパルスおよび前記１つまたは複数の遠隔に位置するターゲットオブジェクトから戻されたターゲットパルスを含む、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。

【請求項14】

前記光学的プローブ配置は、前記プローブパルス列を含む入力プローブビームを複数のターゲットに向けて方向づけられた複数の出力プローブビームに分割するビームスプリッタを含み、前記光学的プローブ配置は、また、前記複数のターゲットのそれぞれからの戻りプローブパルスを収集する、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項15】

光学的距離測定のための方法であって、
（ｉ）プローブパルス列を発生することと、
（ｉｉ）ゲートパルス列を発生することであって、前記ゲートパルス列は、前記プローブパルス列とは異なる繰り返しレートで発生される、前記発生することと、
（ｉｉｉ）前記プローブパルス列を１つまたは複数のオブジェクトに向かって方向づけること、および、前記１つまたは複数のオブジェクトから戻される戻りプローブパルスを収集することと、
（ｉｖ）前記ゲートパルス列および前記戻りプローブパルスを検出器に向けて方向づけることであって、前記検出器は、多光子エフェクト検出を実行するように構成される、方向づけることと、
を含む光学的距離測定のための方法。

【請求項16】

多光子エフェクト検出器およびタイムスタンプ解析器を備える多光子エフェクト検出デバイスであって、前記タイムスタンプ解析器は、少なくとも１つのピーク検出器および少なくとも１つのタイマを備え、前記少なくとも１つのピーク検出器は、前記多光子エフェクト検出器の前記出力のピークを検出するように構成され、前記少なくとも１つのタイマは、前記検出されたピークの発生時間を測定するように構成される、多光子エフェクト検出デバイス。

【請求項17】

多光子エフェクト検出器の前記出力を解析する方法であって、多光子吸収事象から生じる多光子エフェクト検出器の前記出力における強度ピークを検出するステップと、そのような検出された強度ピークが発生する時間を測定するステップとを含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学的距離計測に関するものであり、より具体的には、多光子エフェクト検出を使用する光学的距離測定のための改良された装置および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光学的距離測定のための多くの技術が知られている。確度／精度、曖昧さ範囲、および更新レートの間の固有のトレードオフは、通常、そのような技術が高精度または広範囲の性能のいずれかに最適化されるように向けられていた。例えば、搬送波波長干渉法は、距離を決定するために光信号の変化する位相を分析することを含む。多波長干渉法（ＭＷＩ）および周波数走査干渉法（ＦＳＩ）などの精度に焦点を当てたキャリア波長干渉法技術は、ナノメートルレベルの分解能を達成することができるが、数ミリメートルよりも長い距離を測定するために遅い走査を必要とする。反対に、光検出および測距（light detection and ranging（LIDAR）は、単一のパルスの到着時間の差を記録して距離を決定するパルス飛行時間ベースの技術である。ＬＩＤＡＲは、長い曖昧な範囲を素早く探査することができるが、最先端の光検出器の帯域幅が限られているため、この技術の解像度は数ミリメートルに制限される。

【0003】

米国特許出願公開第２０１１／０２８５９８０号明細書（特許文献１）には、高速な更新レートで長い曖昧さ範囲にわたる高精度の絶対距離測定が可能な、コヒーレント、デュアルコム距離計測システムが記載されている。添付の図１に示すように（特許文献１の図３も参照）、コヒーレント、デュアルコム距離計測技術は、ほぼ同一のパルス繰り返し周波数を有する２つのモードロックレーザー（周波数コムとも呼ばれる）を採用している。第１の周波数コムは、第１の繰り返しレート（ｆ_{ｒｅｐ－ｐｒｏｂｅ}）で超短パルス列２を生成する、いわゆるプローブコムである。第２の周波数コムは、わずかに異なる繰り返しレート（ｆ_{ｒｅｐ－ＬＯ}）で超短パルス列４を生成する、いわゆる局所発振器（ＬＯ）コムである。プローブコムによって生成された超短パルス列２は、ターゲットミラー６で反射され、透過性リファレンス光学系１０の表面８からも部分的に反射される。ターゲットパルス１２およびリファレンスパルス１４は、プローブコムによって生成され、ターゲットミラー６およびリファレンス光学系１０からそれぞれ戻ってくる超短パルス２の反射によって生じる。ターゲットおよびリファレンスパルスは、ビームスプリッタ１６で超短パルス列４（例えば、ＬＯコムによって生成される）と結合されて、検出器１８に送られる。

【0004】

上記のように、２つの周波数コムの繰り返し周波数はわずかに異なり（Δｆ_ｒｅｐによって）、特許文献１の一実施形態では、プローブおよびＬＯコムは、それぞれ１００．１２１ＭＨｚおよび１００．１０６ＭＨｚの繰り返しレートを有する。したがって、ＬＯパルスは、プローブコムからの戻りパルスを一時的にゲートして一連のインターフェログラム（interferograms）を作成するように作用する。特に、繰り返しレート（Δｆ_ｒｅｐ）の差で繰り返される一連のインターフェログラムの組を観測する。図１への挿入物は、プローブパルスとＬＯパルスとの干渉に起因して検出器１８で生じるインターフェログラムを示す。したがって、各インターフェログラムの組におけるリファレンスパルスとリファレンスパルスとの間の到着時間の差は、リファレンス光学系１０とターゲットミラー６との間の距離の飛行時間測定を提供する。飛行時間測定の平均化は、測定の精度がλ／４を下回るまで繰り返され得、その時点でインターフェログラムの干渉位相解析を使用して、飛行時間測定により高い解像度の補正を提供することができる。例えば、特許文献１のシステムは、２００μｓの平均化における飛行時間情報を使用して、２００μｍの精度を有することが示された。干渉解析からの位相情報を加えることにより、総測定時間６０ｍｓで、精度を５ｎｍに向上させた。

【0005】

したがって、特許文献１に記載されているタイプのコヒーレント，デュアルコム距離計測は、任意の長さの絶対距離をうまく測定できることが判明した。したがって、この技術は、高精度、長い曖昧さの範囲、および迅速な更新レートで絶対距離を測定できるため、ＭＷＩ、ＦＳＩ、ＬＩＤＡＲ、およびその他の一般的な代替手段よりも優れている。ＬＯパルスによるプローブパルスの時間的ゲートはまた、他の技術における系統的なエラーにつながるスプリアス反射のリスクを排除する。

【0006】

代替の光学計測技術に対して様々な利点を有するにもかかわらず、特許文献１に記載されているタイプのコヒーレントデュアルコム計測は、多くの理由から、実験室調査から産業用途への移行がまだ行なわれていない。第１に、デュアルコム測定の飛行時間部分の精度は、コムからのタイミングジッタ（すなわち、パルスがコムキャビティを離れる速度の偏差）によって制限される。さらに、測定が干渉解析に引き渡されると、測定精度もコムからの位相ノイズによって制限される。このため、測定の不確実性を低減するためには、両方のコムの繰り返し周波数（ｆ_ｒｅｐ）とキャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ_ＣＥＯ）のロックが必要であると考えられている。しかしながら、これには、複数の安定したリファレンス源を備えた複数のロックループを必要とするという欠点があり、システム全体が非常に複雑になり、製造コストが比較的高くなる。これは、コヒーレント，デュアルコム計測システムが産業計測用途に採用されていない主な理由の１つである。

【0007】

以前から、コヒーレント，デュアルコム計測システムの複雑さを軽減して、実際の用途での使用を可能にするための多くの試みが行われてきた。これらの変形システムのいくつかの例を以下に簡単に概説する。

【0008】

フリーランニングコム（free-running combs）を使用し、インターフェログラムから飛行時間情報のみを抽出する簡略化されたシステムが、Liu, et al.（Optics Express, 2011, Vol. 19, No.19）（非特許文献１）に記載されている。インターフェログラムから飛行時間データを抽出するために実行されるデータ解析は、生データのヒルベルト変換を取得して、各インターフェログラムのエンベロープを抽出することが含まれる。次に、各エンベロープにガウス関数またはｓｅｃｈ関数を適合して、その中心点を決定する。そのようなシステムでは、飛行時間測定の精度は、インターフェログラムの中心点をどの程度正確に決定できるかによって制限される。おそらく、含まれる干渉縞が少なすぎるためにインターフェログラムが十分に定義されていない場合、ヒルベルト変換が失敗し、計算されたインターフェログラムのエンベロープが歪み、不正確な距離測定につながる。非特許文献１に記載されたシステムは、１４０μｓの測定時間で２μｍの精度を達成し、平均化により、精度は２０ｍｓの取得時間で２００ｎｍに向上された。

【0009】

また、光相互相関の使用は、Zhang, H. et al,（Optics Express, 2014, 22 (6), pp.6597-6604）（非特許文献２)によっても実証されている。この配置では、インターフェログラムを、周期分極反転リン酸チタニルカリウム（ＰＰＫＴＰ）結晶を通して、第２高調波信号を生成する。これにより、インターフェログラムのエンベロープに相当する強度の相互相関が生成される。この技術は、特許文献１に記載されている技術と同様の結果をもたらすことが証明されているが、ＰＰＫＴＰ結晶は、システムに複雑さと追加費用をもたらす。

【0010】

Shi, H et al. （2015, CLEO: Science and Innovations, pp. SF2L-3, Optical Society of America）（非特許文献３）は、平衡光相互相関（ＢＣＣ）として知られる、平衡検出でＰＰＫＴＰ結晶を使用することを含む別の技術を提示した。生成された２つの第２高調波生成信号は、平衡検出で収集され、Ｓ字形の信号を生成する。急な中央勾配のゼロクロス点は、リファレンスとターゲットのインターフェログラムの間の時間遅延を定量化する。理論的には、この技術は、信号の急な勾配がインターフェログラムのエンベロープの中心点の識別よりも高い精度でゼロクロスの識別を容易にすることができるため、魅力的である。しかし、平衡検出に必要な非常に正確な光学アライメントは、産業用途には非常に望ましくない。

【0011】

デュアルコム計測は、多くの用途に用いる可能性があると考えられてきたが、上記のようなさまざまな制約により、産業用途への応用が妨げられている。これは、上記の制限を克服するために複数の研究チームによって長年にわたって費やされてきたかなりの努力にもかかわらずである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１１／０２８５９８０号明細書

【特許文献2】米国特許第６１９５１６７号明細書

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】Liu et al, Optics Express, 2011, Vol. 19, No.19

【非特許文献2】Zhang, H. et.al, Optics Express, 2014, 22(6), pp 6597-6604

【非特許文献3】Shi, H et al, 2015, CLEO: Science and Innovations, pp.SF2L-3, Optical Society of America

【発明の概要】

【0014】

本発明の第１の態様によれば、
ゲートパルス列およびプローブパルス列を発生するための少なくとも１つの光パルス発生器であって、ゲートパルス列は、プローブパルス列とは異なる繰り返しレートを有する、少なくとも１つの光パルス発生器と、
前記プローブパルス列を１つまたは複数のオブジェクトに向けて方向づけるため、および、１つまたは複数のオブジェクトから戻される戻りプローブパルスを収集するための光学的プローブ配置とを含み、
多光子エフェクト検出器を備え、ゲートパルス列と戻りプローブパルスの両方を多光子エフェクト検出器に向けて方向づけるように構成されることを特徴とする光学的距離測定装置が提供される。

【0015】

したがって、本発明の第１の態様は、１つまたは複数のオブジェクトの距離を測定するための光学的距離測定または測距装置を提供する。光学的距離測定装置は、様々な異なる用途で使用され得る。例えば、工業用オブジェクトの表面上の１つまたは複数の点の位置を測定するためのレーザトラッカーとして、座標測定機などを較正するために、機械の可動部品の相対位置を測定するためのエンコーダとして、または大規模な長さの計測などに使用することができる。

【0016】

装置は、ゲートパルス列およびプローブパルス列を生成する少なくとも１つの光パルス発生器を備える。以下に説明するように、ゲートパルスおよびプローブパルスは、好ましくは超短レーザパルスである。これらの超短レーザパルスは、２つの別々のモードロックレーザ、例えば、それぞれ、局所発振器モードロックレーザ、および、プローブモードロックレーザによって生成され得る。ゲートパルス列は、プローブパルス列とは異なる繰り返しレートで生成される。また、以下でより詳細に説明されるように、異なるパルス周波数（すなわち、異なる繰り返しレート）で生成されたパルス列は、パルス周波数間の差に等しい周波数で互いに時間的に一致（ビート）する。このようにして、プローブおよびゲートパルス列が結合されるときに、ゲートパルスは、プローブパルスをゲートするように作用する。

【0017】

装置の光学的プローブ配置は、少なくとも１つの光パルス発生器によって生成されるプローブパルス列を、１つ以上のオブジェクトに向けて方向づける。プローブパルス列は、光プローブビームを形成するものと考えられ得、光学プローブ構成は、プローブビームを所望の光路に沿って１つまたは複数のオブジェクトに向ける、または方向づける様々な光学コンポーネント（レンズ、ミラー、波長板、光学フィルタなど）を含み得る。光学的プローブ配置はまた、１つまたは複数のオブジェクトから戻される（反射される）戻りプローブパルスを収集するように構成される。戻りプローブパルスは、そのオブジェクトに入射するプローブパルスによってとられた同じ光路に沿ってオブジェクトから反射され得る。もちろん、プローブビームが複数の異なるオブジェクトから反射されるか、または部分的に反射されることが可能であろう。以下に記載される１つの好ましい実施形態では、光学的プローブ配置は、プローブパルスがリファレンスオブジェクト、およびターゲットオブジェクトの両方から戻されるように配置され得る。そのような例では、戻りプローブパルスは、ターゲットパルス列（すなわち、ターゲットオブジェクトから戻される）と共に、リファレンスパルス列（すなわち、リファレンスオブジェクトから戻される）を含み得る。

【0018】

ゲートパルス列および戻りプローブパルスは、両方とも多光子エフェクト検出器に向けられている。いわゆる多光子エフェクトは、２つまたはそれ以上の光子が一緒に（例えば、互いのフェムト秒以内に）検出器に到達することによって引き起こされる瞬間的な効果である。２つまたはそれ以上の光子が吸収され、検出器は結合された光子エネルギーに応答する。言い換えれば、２つまたはそれ以上の光子は、まるで１つの光子であるかのように一緒に吸収される。半導体材料を含む多光子エフェクト検出器の場合、一緒に吸収される多光子の結合エネルギーは、バンドギャップを横切るように単一の光電子を励起するのに十分であるため、検出可能な光電流を生成する。そのような多光子エフェクト検出器によって示される多光子吸収エフェクト応答は、一般的に強い非線形である。したがって、多光子吸収イベントが発生するとき（すなわち、ゲートパルスと戻りプローブパルスの同時到着により）生成される出力電気信号の強度のピークは、バックグラウンドレベル（例えば、ランダムな２光子事象、電気ノイズなど）と容易に区別できる。

【0019】

したがって、多光子エフェクト検出器は、プローブパルスとゲートパルスの（時間的に）一致する到達を検出する。上述したように、プローブおよびゲートパルスが多光子エフェクト検出器に同時に到達する周波数は、プローブおよびゲートパルス列の繰り返し周波数の差に等しい。多光子エフェクト検出器は、そのようなイベントの時間を決定することを可能にし、そこから距離（飛行時間）情報を得ることができる。例えば、ターゲットオブジェクト（すなわち、ターゲットパルス）およびリファレンスオブジェクト（すなわち、リファレンスパルス）の両方からの戻りパルスのゲートは、リファレンスおよびターゲットオブジェクト間の距離を測定することを可能にする。

【0020】

重要なことに、本発明による多光子エフェクトの使用（すなわち、ゲートパルスと戻りプローブパルスの両方の同時到達を検出すること）は、先行技術のシステムにみられる戻りプローブパルスがゲートパルスと光学的に干渉するという要件を除去する。これは、多光子吸収エフェクトが光干渉効果ではなくエネルギー効果であることによる。したがって、多光子エフェクト検出器の使用は、ゲートおよびプローブ光子が検出器で光学的に干渉しなければならないという従来技術のデュアルコムシステム（例えば、特許文献１に記載されている）に関連する本質的な要件をなくす。

【0021】

したがって、本発明は、生成されたインターフェログラムのエンベロープが正確に抽出されることを保証するために、各パルス内の電界の位相を制御する必要がない点で、特許文献１に記載されているもののような従来技術（干渉ベース）のシステムよりも有利である。これは、パルス生成器内に位相制御を実装する必要をなくすことができ、そのため、フリーランニングモードロックレーザを使用してゲートおよびプローブパルスを生成することができることを意味する。多光子エフェクト検出器の使用はまた、干渉ベースのシステムとは異なり、多光子エフェクト検出器に到達する光学波面の品質は、多光子吸収検出プロセスの分解能に最小限の影響を与えるため、戻りプローブパルスを光学的に増幅することを可能にする。さらに、ゲートパルスとプローブパルスが実質的に重複する波長を有する（これは光干渉を得るために必要である）ことを保証するための要件もなくなる。

【0022】

したがって、本発明は、特許文献１に記載された従来のタイプのデュアルコム距離測定システムよりも、複雑ではなく、より弾力性があり、製造するのにより安価である距離測定装置を提供する。特に、本発明の距離測定装置は、産業計測用途に非常に適していることが判明した。

【0023】

多光子エフェクト検出は、異なる技術分野で、干渉自己相関器を提供するために、以前に提案されていることに留意されたい。米国特許第６１９５１６７号明細書（特許文献２）は、２光子エフェクト検出器を使用して超短レーザパルスの持続時間を測定するための自己相関器を記載している。自己相関器は、干渉計を用いて親パルスから導出される相対的に遅延した娘パルスの組を測定するように配置される。そのような自己相関器デバイスは、超短レーザパルスを特徴付けるために（例えば、パルス形状、パルス持続時間などを測定するために）以前から使用されてきた。

【0024】

有利には、多光子エフェクト検出器は、ゲートおよびプローブパルスの単一光子の光子エネルギーよりも大きいバンドギャップを有する。光子エネルギーは、単一の光子によって運ばれるエネルギーであり、以下でより詳細に説明されるように、光子の電磁周波数に正比例し、したがって、等価的に、波長に反比例する。したがって、ゲートパルスおよびプローブパルスの波長は、好ましくは十分に長く（すなわち、そのようなパルスの周波数は十分に低い）、その結果、単一の光子のエネルギーが検出器バンドギャップよりも小さくなる。これは、多光子エフェクト検出器がゲートおよびプローブパルス列の単一の光子に対して実質的に非感受性であることを意味する（すなわち、そのような光子は、バンドギャップを横切るために光電子を励起するのに十分なエネルギーを持っていないため）。しかしながら、検出器は、バンドギャップよりも大きい結合エネルギーを有する２つまたはそれ以上の光子の（時間的に）一致した到達を検出する。

【0025】

有利には、多光子エフェクト検出器は、２光子検出器を含む。このような配置では、ゲートパルス光子（すなわち、ゲートパルスの光子）、およびプローブパルス光子（すなわち、プローブパルスの光子）の結合エネルギーは、好ましくは、２光子エフェクト検出器のバンドギャップよりも大きい。言い換えれば、２光子効果検出器がプローブ光子とゲート光子の両方を一緒に吸収するときに付与されるエネルギーは、光電子がバンドギャップを横切るのに十分な量励起するのに十分である。以下で説明するように、２光子吸収エフェクトは強い非線形（二次）効果である。

【0026】

２光子エフェクト検出は、単純化に有利であるが、多光子エフェクト検出器に一緒に到達する３つまたはそれ以上の光子が検出器バンドギャップよりも大きい結合エネルギーを有する多光子エフェクト検出を実施することができることに留意されたい。３光子検出の例を挙げると、多光子エフェクト検出器のバンドギャップは、２つの光子の結合エネルギーよりも大きい（すなわち、一緒に到達する２つの光子の結合エネルギーは、バンドギャップを横切るために光電子を励起するには不十分である）が、３つの光子の結合エネルギーよりも小さくなるように選択することができる。同様の考察は、より高次の多光子検出（例えば、４光子検出など）にも適用されるであろう。

【0027】

多光子エフェクト検出器は、半導体デバイスであり得る。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、またはレーザーダイオードであることが可能である。多光子エフェクト検出器は、半導体材料を含むことができる。有利には、半導体材料は、ゲートパルスおよびプローブパルスの単一の光子のエネルギーよりも高いバンドギャップを有する。例えば、半導体材料は、シリコン、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｇｅ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、またはＰｂＳｅを含むことができ、これらはすべて、光起電力検出器としての動作を可能にする。有利には、多光子エフェクト検出器は、シリコンを含む。中赤外域の光波長を持つゲートパルスやプローブパルスを使用するときは、シリコンが特に好ましい。例えば、ゲートおよびプローブパルスの波長が１１１０ｎｍより大きく、２２００ｎｍより小さいとき、２光子エフェクト検出がシリコンベースの検出器を使用して可能である。シリコンベースの検出器は、比較的低コストで、使用が簡単であり、周囲温度で動作する能力を含んでいるため、有利である。半導体材料を含む検出器を使用する代替として、（例えば、多光子顕微鏡において使用されるように）蛍光色素を使用した多光子検出を実実施することが可能であろう。そのようなデバイスはまた、適切なバンドギャップ（エネルギーギャップとも呼ばれ得る）を有するように構成され得る。

【0028】

したがって、装置は、多光子エフェクト検出器、すなわち、多光子エフェクト検出を実施するために装置内に配置された検出器を含む。多光子エフェクトを提供または強化するために、いくつかの追加の構成要素が装置の一部として提供され得る。上述したように、検出器のバンドギャップは、好ましくは、ゲート／プローブパルスの光子エネルギーに対して適切であるように配置される。また、プローブおよびゲートパルスを検出器に焦点合わせするための装置内の要素も存在し得る。例えば、プローブおよびゲートパルスは、検出器上で少なくとも部分的に重複するように焦点を合わせされ得る。有利には、プローブおよびゲートパルスは、検出器上の実質的に同じ点に焦点を合わせられ得る（例えば、緊密に焦点を合わせられ得る）。好ましい実施形態では、戻りプローブパルスおよびゲートパルスは、（例えば、ビームスプリッタを使用して）結合され得、戻りプローブパルスおよびゲートパルスの合成されたビームは、共通の経路に沿って多光子エフェクト検出器へ伝達される。代替的に、ゲートパルスおよび戻りプローブパルスは、別個の光路に沿って検出器に伝達され得る。

【0029】

多光子エフェクト検出器は、単一の検出器素子を含み得る。言い換えれば、多光子エフェクト検出器は、単一のピクセルまたは単一のアクティブ領域を含み得る。代替的に、多光子エフェクト検出器は、複数の検出器素子を含み得る。複数の検出器素子は、例えば、直線または２次元アレイ内で、互いに空間的に分離され得る。そのような例では、ゲートパルス列は、（例えば、ビームスプリッタを使用して）分割され、検出器素子のそれぞれに向けられ得る。異なるオブジェクトから、または同じオブジェクト上の異なる点からの戻りプローブパルスは、そのとき、異なる検出器素子に方向づけられ得る。この例では、各検出器素子について電気信号が出力され得る。そして、以下でより詳細に記述するように、複数の距離の同時測定が可能である。

【0030】

有利には、装置は、多光子エフェクト検出器の出力を解析するための解析器を備える。解析器は、多光子エフェクト検出器の出力を時間の関数として解析し得る。解析器は、多光子エフェクト検出器によって出力される電気信号をデジタル化するためのディジタイザ（例えば、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ））を含み得る。解析器は、信号強度を時間の関数として関数に適合させ得る。例えば、ガウス関数が、信号強度データに適合され得る。その後、ゲートおよび戻りプローブパルスが一緒に検出器に到達した時間が、デジタル化された電気信号のピークから確立され得る。これにより、順次、飛行時間による距離測定を実行することを可能にできる。解析器は、信号処理および／または解析を実行するためのプロセッサを含み得る。多光子エフェクト検出器が複数の検出器素子を含む場合、各々の検出器素子からの信号は、この方法で分析され得る。

【0031】

都合の良いことに、この装置は、飛行時間モニタを含む。飛行時間モニタは、少なくとも１つのピーク検出器を含み得る。飛行時間モニタは、少なくとも１つのタイマを含み得る。したがって、少なくとも１つのピーク検出器は、多光子エフェクト検出器の出力におけるピークを検出するように構成され得る。少なくとも１つのタイマは、検出されたピーク間の時間を測定するように構成され得る。飛行時間モニタは、ピーク検出およびタイミング測定を実行するプロセッサを含み得る。戻りプローブパルスがリファレンスオブジェクトとターゲットオブジェクトから戻される場合、リファレンスおよびターゲットオブジェクトから戻されるプローブパルスが移動する光路長差に関連する検出されたピーク間の時間を確立できる。 これにより、リファレンスオブジェクトとターゲットオブジェクトとの間の距離を決定することが可能となる。このタイプの飛行時間モニタリングは、計算コストが少なく、したがって、時間の関数として信号強度データを収集してその後分析するよりも潜在的に高速である。

【0032】

オプションとして、飛行時間モニタは、少なくとも２つのタイマを含み得る。プローブパルスがリファレンスオブジェクトおよびターゲットオブジェクトから戻される場合、第１のタイマは、リファレンスオブジェクトおよびターゲットオブジェクトから戻されるピークの間の第１の時間間隔を測定し得る一方、第２のタイマは、ターゲットオブジェクトおよびリファレンスオブジェクトから戻されるピークの間の第２の時間間隔を測定し得る。リファレンスオブジェクトによって戻されるピークの間の時間間隔を測定し得る。これは、第１および第２のタイマによって測定された時間間隔を加算することによって行われ得る。リファレンスオブジェクトによって戻されるピーク間の時間間隔は、例えば、プローブと局所発振器コムとの間の繰り返しレートの差の任意の変化を補償するために、タイミングリファレンス信号として使用され得る。このようなタイミングリファレンス信号を用いることで、測定の不確実性を低減することができる。

【0033】

少なくとも１つの光パルス発生器は、複数の光パルス発生器を含み得る。複数の光パルス発生器のそれぞれは、超短レーザパルス列を生成し得る。好都合には、少なくとも１つの光パルス発生器は、プローブパルス列を生成するためのプローブモードロックレーザと、ゲートパルス列を生成するための局所発振器（ＬＯ）モードロックレーザとを含む。言い換えれば、２つの別々のモードロックレーザ（そのようなモードロックレーザは、周波数コムとも呼ばれる）は、プローブおよびゲートパルスを提供し得る。プローブおよびゲートパルス列は、好ましくは超短レーザパルスである。そのような超短レーザパルスの持続時間は、通常、ピコ秒またはフェムト秒のオーダーである。例えば、超短パルスは、１ピコ秒未満の持続時間を有し得る。代替的に、共通のレーザキャビティからプローブパルス列およびゲートパルス列を導出することが可能である（例えば、プローブパルスおよびゲートパルスの両方を生成するために単一の光パルス発生器が提供され得る）。

【0034】

有利には、プローブモードロックレーザおよび局所発振器モードロックレーザの両方は、いわゆる「フリーランニング」モードロックレーザである。言い換えれば、レーザによって放出される各パルスのエンベロープ内の電界の位相は、未知の方法で変化し得る（すなわち、位相制御ループがない）。これは、多光子エフェクト検出器がインターフェログラムの生成に依存せず、したがって、搬送波エンベロープ位相オフセットの任意の変化によって実質的に影響を受けないため、許容される。プローブパルスおよびゲートパルスを生成するために別々の光パルス発生器（例えば位相制御なしに）を使用できることは、先行技術のシステムに比べて大きな利点である。

【0035】

上記に概説したように、多光子エフェクト検出は、検出器における戻りパルスおよびゲートパルスの光干渉が存在することを必要としない。実際、戻りプローブパルスとゲートパルスとの間の光干渉は、装置の性能を低下させる可能性がある。ゲートおよび戻りパルスが光学的に干渉することを許された場合、検出器でインターフェログラムが収集されるが、干渉することを許されずにそれらが結合された場合、検出器はエンベロープのみを収集する。したがって、光干渉を最小限に抑えるか、または無しで、検出器でパルスを時間的に重複させることが好ましい。したがって、装置の光学的構成は、多光子エフェクト検出器におけるゲートパルスおよびプローブパルスの光干渉を実質的に防止するように配置されることが好ましい。これにより、干渉パターンの発生に関連する不不利益なしに、強度エンベロープを直接検出することができる。

【0036】

装置は、少なくとも１つの光パルス発生器から多光子エフェクト検出器まで様々なゲートおよびプローブパルスを導く様々な異なる光学部品（レンズ、波長板、ビームスプリッタ、ミラーなど）を含み得る。これらの光学部品は、ゲートおよび戻りプローブパルスが多光子エフェクト検出器に到達したときのゲートおよび戻りプローブパルスの実質的な光干渉を防止するように配置することができる。有利には、ゲートパルスは、多光子エフェクト検出器に到達したとき、戻りプローブパルスとは異なる偏波状態を有する。言い換えれば、ゲートおよび戻りプローブパルスの偏光状態を選択して、光干渉を防止または最小限に抑えることができる。例えば、ゲートおよび戻りプローブパルスは、検出器に到達すると実質的に直交する線形偏波を有するように構成され得る。代替的には、ゲートおよび戻りプローブパルスは、検出器に到達すると、異なる円偏波（例えば、左まわりおよび右まわりの円偏波）を有し得る。光干渉効果は、また、ゲートおよびプローブパルスの光学波長の適切な選択によって低減または最小化され得る。例えば、ゲートパルスとプローブパルスの光学波長帯域が異なる（例えば、重複しない）場合、そのようなパルス間に光干渉は生じない。また、光干渉を最小限に抑えるために、多光子エフェクト検出器上のゲートおよび戻りプローブパルスの入射角を制御することも可能であろう。

【0037】

プローブパルスは、１つまたは複数のオブジェクトに向けられ、そこから戻される。１つまたは複数のオブジェクトは、少なくとも１つのリファレンスオブジェクトを含み得る。有利には、単一のリファレンスオブジェクトが提供され得る。そのようなリファレンスオブジェクトは、装置の光学的配置の一部として提供され得る。例えば、装置の内部の光学部品であってもよい。リファレンスオブジェクトは、装置の別個のリファレンスアームに提供され得る。代替的に、リファレンスオブジェクトは、任意の非反射光が別の（例えば、ターゲット）オブジェクトに通過する部分反射部材を含み得る。リファレンスオブジェクトは、ミラーを含み得る。リファレンスオブジェクトは、ガラスくさび（glass wedge）または同様のもののような部分反射性（したがって部分透過性）の部品を含み得る。リファレンスオブジェクトは、本明細書ではリファレンスパルスと呼ばれる（すなわち、それらがリファレンスオブジェクトから戻されるため）戻りプローブパルスを生成する。プローブパルスは、（戻り）リファレンスパルスと同じ経路に沿ってリファレンスオブジェクトに入射し得る。装置の残りの部分に対するリファレンスオブジェクトの位置は、好ましくは不変である（すなわち、それは不変のリファレンスまたは基準位置を提供する）。

【0038】

１つまたは複数のオブジェクトは、１つまたは複数のターゲットオブジェクトを含み得る。ターゲットオブジェクトは、装置の残りの部分からの未知の距離を有し得る。したがって、１つまたは複数のオブジェクトは、１つまたは複数の遠隔に位置するターゲットオブジェクトを含み得る。例えば、ターゲットオブジェクト（複数のターゲットオブジェクト）は、装置の外部に位置し得る。ターゲットオブジェクトは、測定されるべきオブジェクトの表面を含み得る。例えば、工業部品の表面を直接測定することができる。代替的に、ターゲットオブジェクトは、別のオブジェクトに取り付けられ得る。例えば、ターゲットミラーまたは再帰反射器は、測定されるべき別の物品（すなわち、間接測定）に取り付けられ得る。各ターゲットオブジェクトは、本明細書ではターゲットパルスと呼ばれる（すなわち、それらがターゲットオブジェクトから戻されるため）戻りプローブパルスを生成する。また、通常、そのような連続したターゲットパルス列がターゲットオブジェクトによって戻されるが、オブジェクトに向けられたプローブパルスのすべてが戻され得るわけではないことに留意されたい（例えば、いくつかはターゲットを完全に外し得、いくつかはそれらの捕捉ができない方向に反射され得る）。ターゲットオブジェクトはまた、装置に対して移動し得、したがって、ターゲットパルスは、位置のスナップショットを提供し得る。経時的に測定された距離の変化は、装置に対するターゲットの速度を測定するためにも使用され得る。

【0039】

好ましい実施形態では、１つまたは複数のオブジェクトは、リファレンスオブジェクトおよび１つまたは複数の遠隔に位置するターゲットオブジェクトを含む。この実施形態では、戻りプローブパルスは、リファレンスオブジェクトから戻されたリファレンスパルスと、１つまたは複数の遠隔に位置するターゲットオブジェクトから戻されたターゲットパルスの両方を含む。ターゲットパルスと関連するリファレンスパルスの到着時間の差は、ターゲットおよびリファレンス面から戻されるパルスの経路長の差に関連する。基準オブジェクトが不変位置を有する場合、基準オブジェクトへの距離は、基準パルスと目標パルスの到着時間の差から決定することができる。

【0040】

装置は、自由空間（例えば、空気）を通してプローブパルスをターゲットオブジェクトに送信するように配置され得る。代替的に、プローブパルスは、水などの液体を介してオブジェクトに伝達することができる。ターゲットオブジェクトは、プローブパルスの光学波形を乱す粗面を有し得る（すなわち、その結果、装置によって収集されたターゲットパルスは、歪められた、または、乱された波面を有する。）。同様に、プローブパルスがターゲットオブジェクトへ、またはターゲットオブジェクトから通過する媒体は、プローブパルスの光学波面を乱し得る。例えば、そのような乱れは、プローブパルスを乱流空気を通過させることによって生じ得る。上記のようないくつかの状況では、戻りプローブパルスは、低強度であり得る（例えば、高レベルのプローブビーム減衰が存在し得る）。ターゲットパルスがターゲットから戻った後、多光子エフェクト検出器に到達する前に、ターゲットパルスを光学的に増幅することも、感度を向上させることが可能であろう。リファレンスパルスの増幅も提供することができる。例えば、ファイバ増幅器を使用することができる。そのような増幅プロセスは、また、光学波面の品質を低下させる可能性がある。インターフェログラムベースの配置の従来技術では、そのような光学波面の歪みは、得られる光干渉の質に深刻な影響を与えるであろう。しかしながら、本発明に係る多光子エフェクト検出を用いたときは、このような効果は、光干渉に基づかないため、影響ははるかに小さい。

【0041】

上記で概説したように、光学プローブ配置は、プローブビーム（すなわち、プローブパルス列）を１つまたは複数のオブジェクトに向け得る。これは、プローブパルスを単一のオブジェクト上の単一のターゲットに向けることを含み得る。装置はまた、複数のターゲットを測定するように構成することができ、そのようなターゲットは、異なるオブジェクト上、または同じオブジェクト上の異なる点にある。したがって、光学的プローブ配置は、プローブパルス列を含む入力プローブビームを複数の出力プローブビームに分割するビームスプリッタを含み得る。「分割」という用語は、最初のプローブビームの光強度が２つ以上の出力プローブビームに分割されることを意味する。したがって、それぞれの出力プローブビームは、入力プローブビームよりも低い強度ではあるが、完全なプローブパルス列を含む。次いで、各出力プローブビームは、複数のターゲットのうちの１つに向けられ得る。光学的プローブ配置は、好ましくは、また、それぞれの複数のターゲットからの戻りプローブパルスを収集するように構成される。

【0042】

上記のマルチターゲットの例では、各ターゲットからの戻りプローブパルスは、ゲートパルスと同じ多光子エフェクト検出器上の同じ点に向けられる単一のビームに結合され得る。そのような例では、検出された信号のピークは、異なるターゲットのそれぞれからの戻りプローブパルスに対応する。ターゲットが異なる距離にある場合、各ターゲットまでの距離を個別に計算することが可能であろう。

【0043】

代替的に、多光子エフェクト検出器は、上述のように、複数の能動素子または検出素子（例えば、ピクセルまたは領域）を含み得る。そのような例では、各ターゲットからの戻りプローブパルスは、複数の検出器要素のうちの異なるものに別々に向けられ得る。複数の多光子エフェクト検出器素子は、単一の基板上に形成された多画素センサアレイによって、または複数の物理的に分離された多光子エフェクト検出器素子（例えば、装置の異なるアームにおいて、互いに空間的に分離されたフォトダイオードのような）によって提供され得る。そのような例では、光学的プローブ配置はまた、ゲートパルス列を含む入力局所発振器ビームを複数の出力局所発振器ビームに分割する追加のビームスプリッタを含み得る。次いで、複数の検出器素子のそれぞれは、出力された局所発振器ビームと、複数のターゲットのうちの１つからの戻りプローブパルスの両方を受信し得る。次いで、各能動素子における多光子エフェクト検出は、それぞれのターゲットの距離に関連する。言い換えれば、各能動素子からの信号のピークは、単一のターゲットまでの距離の測定を可能にする。もちろん、リファレンスピークを提供するために（例えば、距離の飛行時間の計算を助けるために）、検出器要素のすべて、いくつか、または１つにリファレンスパルス列を向けることも可能であろう。１つの能動要素から生成されたリファレンスピークは、他の検出器要素を使用して検出されたターゲットピークのタイミングリファレンスとして使用され得ることに留意されたい。言い換えれば、飛行時間距離測定は、１つの能動要素によって検出されたリファレンスピーク（すなわち、リファレンスパルスの到達時間を示す）および異なる能動要素によって検出されたターゲットピーク（すなわち、ターゲットパルスの到達時間を示す）を使用して実行され得る。

【0044】

複数の目標距離を同時に測定する能力には、いくつかの利点がある。例えば、複数の別々のオブジェクトの距離を同時に測定することができる。単一のオブジェクト上の複数のターゲットポイントが同時に測定された場合、オブジェクトの方向（例えば、ピッチ、ロールまたはヨーを測定する）またはオブジェクトの形状に関するより多くの情報を確立することも可能であろう。オブジェクト上の複数の点が、または代替的に、連続的に測定することもできる。例えば、プローブビーム（すなわち、プローブパルス列）は、オブジェクト上の複数の点を測定するために、そのオブジェクトの表面をスキャン（例えば、ラスタ（rastered））することができる。このようにして、オブジェクトの３次元（３Ｄ）画像を構築することができる。

【0045】

有利には、光学的距離測定装置は、座標測定機（ＣＭＭ）のような座標測位装置に設置するように構成される。ＣＭＭは、多関節型ロボットアームを含み得、光学的距離測定装置は、次いで、レーザトラッカーの距離測定部品として機能し得る。ＣＭＭは、検査対象物が配置されるベッドに対してクイルが移動するブリッジタイプのＣＭＭであり得る。オブジェクトは、治具によってＣＭＭのベッドに固定され得る。光学的距離測定装置は、プローブパルス列を放射する、および／または戻りパルスを収集するための光学ヘッド（例えば、光学的プローブ配置を含む）を有し得る。光学ヘッドは、ＣＭＭのクイルに取り付けられ得る。光学ヘッドは、Ｒｅｎｉｓｈａｗ ｐｌｃ，Ｗｏｔｔｏｎ－Ｕｎｄｅｒ－Ｅｄｇｅ，Ｇｌｏｕｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ，ＵＫによって販売されるＲＥＶＯ（登録商標）関節プローブヘッドなどの２軸回転プローブヘッドを介して、ＣＭＭのクイルに取り付けられ得る。装置の少なくとも１つの光パルス発生器は、ＣＭＭに隣接して配置され得、１つまたは複数の光ファイバを介して光ヘッドに接続され得る。

【0046】

便利なことに、光学的距離測定装置は、座標測位装置のような機械を較正するために使用し得る。座標測位装置は、ＣＭＭ（例えば、ブリッジタイプＣＭＭ、ロボットアームなど）または工作機械などを含み得る。したがって、装置は、較正手順を実行するために機械に一時的に取り付けられ得る。そのような例では、１つまたは複数の再帰反射器またはミラーは、機械の可動部分に取り付けられ得る（例えば、複数のミラーは、ＣＭＭのクイルまたはアームに取り付けられ得る）。次いで、光学的距離測定装置は、機械の可動部分が空間内を移動するときに、ミラーの位置を測定し得る。次いで、光学的距離測定装置によって収集された高精度位置測定値を使用して、機械の内部測定デバイス（例えば、エンコーダ）によって取得された位置測定値を修正またはエラーマッピングすることができる。較正後、装置は機械から取り外し得る。

【0047】

代替的に、本発明の光学的距離測定装置を機械に組み込み得る。言い換えると、光学的距離測定装置は、位置エンコーダ等として機械に組み込まれ得る。これにより、機械の異なる部品の相対位置を（例えば、機械位置制御ループの一部として）測定することが可能になる。光学的距離測定装置は、電力が失われた場合に基準となる位置を確立する必要なく相対位置を測定できるという利点があり、したがって、より大きな機械に特に適している。

【0048】

本発明の光学的距離測定装置の他の多くの用途も可能であろう。例えば、モーションコントロールフィードバック要素としての大規模な製造および組み立て機械；治具および固定用治具のアライメントを含む大規模な生産施設の組み立て；土木工学による新しい建築物の測定、および隣接する地盤作業中の既存の建物の動きを監視するなど；ドック、橋、ダム、堤防を含む大規模な構造物の資産管理；一般的な測量；研究、教育、バーチャルツーリズムのための歴史的/考古学的遺跡および工芸品のキャプチャおよびモデリング；例えば大型光学望遠鏡のための幾何学的制御を可能にするフィードバックとしての大型機械および機器；のような大規模な長さ計測の用途に使用できる。この装置はまた、大規模な安全上重要な構造およびセンサの状態監視、ならびに、自律型ロボット、車両、宇宙（例えば、衛星追跡）および防衛用途のための地形/環境マッピングのためのセンサに使用することができる。

【0049】

本発明の光学的距離測定装置は、他の光学的距離測定装置とともに使用することができることに留意されたい。例えば、従来の同軸ライダー（coaxial lidar）配置を本発明の装置と並行して使用することができる。従来のライダー配置は、粗い測定値（例えば、１メートルまたは２メートル以内）を提供することができ、一方、本発明の装置は、より細かい（すなわち、はるかに高い分解能の）測定値を提供することができる。したがって、粗い測定値は、曖昧さの範囲を拡張するために使用され得る。例えば、本発明の光学距離測定装置は、約１ｍの曖昧さの範囲を与えるであろう約３００ＭＨｚの局所発振器繰り返しレートを使用することができる。その後、標準のライダーを使用して、ターゲットがどの１ｍの範囲にあるかを決定することができる。そのような標準的なライダーシステムは、そのような解像度を達成するために３ｎｓ以上のタイミング分解能を必要とし、これは既製のライダー技術にとって非常に簡単である。
本発明の第２の態様によれば、
光学的距離測定のための方法であって
（ｉ）プローブパルス列を発生することと、
（ｉｉ）ゲートパルス列を発生することであって、ゲートパルス列は、プローブパルス列とは異なる繰り返しレートで発生される、発生することと、
（ｉｉｉ）プローブパルス列を１つまたは複数のオブジェクトに向かって方向づけること、および、１つまたは複数のオブジェクトから戻される戻りプローブパルスを収集することと、
（ｉｖ）ゲートパルス列および戻りプローブパルスを検出器に向けて方向づけることであって、検出器は、多光子エフェクト検出を実行するように構成される、方向づけることと、
を含む光学的距離測定のための方法が提供される。
方法はまた、関連付けられた装置のコンテキストにおいて上述したステップのいずれかを含み得る。

【0050】

本発明のさらなる態様によれば、多光子エフェクト検出器およびタイムスタンプ解析器を含む多光子エフェクト検出デバイスが提供される。タイムスタンプ解析器は、少なくとも１つのピーク検出器および少なくとも１つのタイマを備え、少なくとも１つのピーク検出器は、多光子エフェクト検出器の出力におけるピークを検出するように構成され、少なくとも１つのタイマは、検出されたピークの発生時間を測定するように構成される。検出されたピーク間の時間は、距離の飛行時間測定値を確立するために測定され得る。解析器は、多光子エフェクト検出およびタイムスタンプ解析を提供するためのプロセッサを含み得る。デバイスの他の使用が可能であろう。

【0051】

本発明のさらなる態様によれば、多光子エフェクト検出器の出力を解析する方法であって、多光子吸収事象から生じる多光子エフェクト検出器の出力における強度ピークを検出するステップと、そのような検出された強度ピークが発生する時間を測定するステップとを含む方法がある。検出されたピーク間の時間を測定することができる。このようにして、飛行時間による距離測定を実行することができる。

【0052】

本発明のさらなる態様によれば、オブジェクトを検査するための光学測定プローブを含む座標測位装置が提供され、光学測定プローブは、少なくとも１つの周波数コムおよび多光子エフェクト検出器を含む。光学測定プローブは、本発明の第１の態様による距離測定装置を含み得る。

【0053】

本発明のさらなる態様によれば、座標測位装置（例えば、工作機械、座標測定機、ロボットなど）を較正するための較正装置が提供され、較正装置は、少なくとも１つの周波数コムおよび多光子エフェクト検出器を含む。較正装置は、本発明の第１の態様による距離測定装置を含み得る。

【0054】

本発明のさらなる態様によれば、機械（例えば、工作機械、座標測定機、ロボットなど）の２つの可動部品の相対距離を測定するための位置エンコーダが提供され、位置エンコーダは、少なくとも１つの周波数コムおよび多光子エフェクト検出器を含む。位置エンコーダは、本発明の第１の態様による距離測定装置を含み得る。

【図面の簡単な説明】

【0055】

つぎに、添付の図面を参照して、単に一例としてのみ本発明を説明する。

【0056】

【図1】図１は、米国特許出願公開第２０１１／０２８５９８０号明細書（特許文献１）に記載される従来技術のデュアルコム距離測定装置を示す図である。

【図2】図２は、多光子エフェクト検出器を含む本発明の距離測定装置を示す図である。

【図3】図３は、個別のリファレンス面アームを含む、図２の装置の変形例を示す図である。

【図4】図４は、２光子信号において存在するリファレンスパルスとターゲットパルスを示す図である。

【図5】図５は、図４の１組のターゲットおよびリファレンスパルスを、ターゲットパルスをより詳細に示す挿入図と共に示す図である。

【図6】図６は、２光子およびインターフェログラムに基づく測定値の両方を取得するための距離測定装置を示す図である。

【図7】図７ａは、２光子パルスを示す図であり、図７ｂは、インターフェログラムを示す図である。

【図8】図８は、インターフェログラム内の干渉パターンのばらつきが、エンベロープ中心を確立するのに不確実性をもたらす可能性があることを示す図である。

【図9】図９は、干渉測定および２光子ベースの測定に対するパルス繰り返しレートの影響を示す図である。

【図10】図１０は、戻り信号を含む距離測定装置を示す図である。

【図11】図１１は、複数のターゲットの同時測定のための距離測定装置を示す図である。

【図12】図１２は、２光子事象の発生をタイミングするためのマイクロコントローラを有する距離測定装置を示す図である。

【図13】図１３は、本発明の装置を使用した測定の平均時間の関数としてのアラン偏差を示す実験データである。

【図14】図１４は、本発明の装置を使用した測定の距離（図１４ａ）および残差誤差（residural errors）（図１４ｂ）を示す図である。

【図15】図１５は、本発明の距離測定装置のさらなる実施形態を示す図である。

【図16】図１６は、本発明の距離測定装置のさらなる実施形態を示す図である。

【図17】図１７は、２つのライダータイマを含む図１６の配置の変形例を示す図である。

【図18】図１８は、図１７の２つのライダータイマを使用して抽出されたタイミング情報を示す図である。

【図19】図１９は、ライダータイマからタイミング信号が抽出される、図１７の配置の変形例を示す図である。

【図20】図２０は、高速フォトダイオードを使用してタイミングリファレンスが抽出される図１９の配置の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0057】

図２を参照すると、本発明の距離計測装置が示されている。装置は、プローブコム３０および局所発振器（ＬＯ）コム３２を含む。プローブコム３０およびＬＯコム３２は両方とも、ＳＥＳＡＭモードロックされたエルビウムファイバレーザである。これらのレーザの出力は、時間領域では１／ｆ_ｒｅｐ（ｆ_ｒｅｐは、レーザの繰り返しレート）で区切られた超短パルスの列として、または規則的な間隔の周波数コムとして周波数領域で見ることができる。本実施形態では、プローブコム３０は、７８．８７ＭＨｚの繰り返しレートを有し、ＬＯコム３２は、７８．８７４ＭＨｚの繰り返しレートを有する。レーザ出力は、１５５７ｎｍの波長を有し、２０ｍＷ（３ｍＷから）に光学的に増幅され、発生されたパルスは未知の偏光を有する。

【0058】

プローブコム３０からのプローブパルス列は、未知の偏光を有し、したがって、偏光制御を提供するために、第１の４分の１波長板３４および第１の半波長板３６を通過させる。特に、プローブパルスは、ｐ－偏光で第１の半波長板から出るので、第１の偏光ビームスプリッタキューブ（ＰＢＳ）３８を通って伝達される。次いで、プローブパルス列は、ガラスくさび４２のリファレンス（背面）表面４０から（部分的に）、またターゲットミラー４４の表面から反射される。これは、ガラスくさび４２およびターゲットミラー４４の両方から反射パルスの列を生成し、これらの戻りパルスは、それぞれリファレンスパルスおよびターゲットパルスと呼ぶことができる。光路は、プローブパルスがリファレンスおよびターゲット表面に向かう途中と、偏光ビームスプリッタキューブ（ＰＢＳ）に戻る際の両方で、第２の４分の１波長板４６を通過するように構成されている。第２の４分の１波長板４６を通るプローブパルスのこの二重通過は、パルスをｓ－偏光に変換し、その結果、パルスはＰＢＳ３８で第２の偏光ビームスプリッタキューブ（ＰＢＳ）４８に向かって反射される。

【0059】

ＬＯコム３２は、また、未知の偏光を有するゲーティングパルス列を発生する。ＬＯコム２からのゲーティングパルスは、第２の偏光ビームスプリッタキューブ（ＰＢＳ）４８に到達したときに、ゲーティングパルスにｐ－偏光を与えるように配置された第３の４分の１波長板５０および第２の半波長板５２を通過する。したがって、反射（プローブ）パルスは、直交する直線偏光を有するゲーティングパルスと第２のＰＢＳ１１において出会うことが理解できる。直交偏光の使用は、プローブおよびゲーティングパルスの干渉を防止する。

【0060】

プローブおよびゲーティングパルス列は、１３００ｎｍの光学ロングパス（ハイパス）フィルタ５４を通過して、コムからの吸収されないポンプ光およびフォトダイオード５８が感度を持つプローブ光チャネルを通って装置に入射し得る迷光を遮断する。次に、プローブおよびゲーティングパルス列は、レンズ５６によってシリコンフォトダイオード５８上に焦点を合わせられる。フォトダイオード５８は、ｈｃ／λより大きく、２ｈｃ／λより小さいバンドギャップを有するように選択され、ｈはプランク定数、ｃは光速、λはコムの波長である。この例では、シリコンフォトダイオード５８のバンドギャップは１．１１ｅＶである。したがって、検出器バンドギャップは、周波数コムによって生成されるレーザ放射の光子エネルギーよりも大きく、これは、検出器が周波数コムによって発生される単一の光子に対して非感受性であることを意味する。しかしながら、フォトダイオード５８に焦点を合わせたプローブパルスは、ゲートパルスと時間的に一致する場合、２光子吸収信号にピークを誘発する。特に、Ｉ（ｔ）・Ｉ（ｔ－τ）に比例する検出信号が発生され、τは、２つのパルス間の瞬時遅延（すなわち、プローブとゲーティングパルスとの間の遅延）である。２光子吸収エフェクトは、入力パワーに対する二次応答を有し、これは、ゲートパルス（すなわち、ＬＯコムからの光子）がプローブパルス（すなわち、プローブコムからの光子）と十分な程度に時間的に一致するとき、フォトダイオードが検出可能な信号を生成することを意味する。

【0061】

フォトダイオード５８によって検出された信号は、ディジタイザ６２またはオシロスコープに表示される前に、電子ローパスフィルタ６０を通過する。ローパスフィルタリングは、代替的に、ソフトウェアで、または機械的にさえ実行が可能であることに留意されたい。ローパスフィルタ６０は、パルス繰り返し周波数が除去されるように、プローブコムの繰り返しレートの約半分のカットオフ周波数が選択される。これは、適切な周波数の電子バンドパスフィルタでも達成することができる。この例では、２光子信号を収集するためにシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードが使用されるが、すでに説明したように、多くの代替手段がある。単一光子エネルギーよりも大きく、光子エネルギーの２倍よりも小さいバンドギャップを有する任意の光センサは、２光子検出に使用することができる。例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、逆に使用されるレーザーダイオード、光電陰極または光電子増倍管などを使用することが可能である。

【0062】

プローブパルスとゲートパルスの実質的な同時到達を検出するために使用される２光子効果は、干渉に基づく効果ではないことに再度注意することが重要である。２光子吸収エフェクトは、偏光に依存せず、位相も一致しない。反対の偏光を有するレーザパルスの組み合わせは、それらの位相が相互作用できないことを意味するので、干渉はなく、結果として得られる強度プロファイルのエンベロープのみが検出される。これは、検出された信号が、次いで、コムのキャリア－エンベロープーオフセット周波数（ｆ_ＣＥＯ）の変化に対して非感受性であるため、重要である。

【0063】

図２を参照して説明される装置は、デュアルコム距離測定装置において非線形２光子検出の原理をどのように実装するかの一例にすぎない。ここで、同じ原理を実装するために使用できる装置のいくつかの変形例について説明する。

【0064】

図３を参照して、代替の光学的配置の例を説明する。プローブコム８０は、（非偏光）ビームスプリッタ８２によって２つの経路に分割される超短プローブパルス列を発生する。第１の経路に沿って方向づけられるプローブパルスは、固定位置リファレンスミラー８４から反射され、リファレンスパルス列（すなわち、リファレンスミラー８４から反射されるプローブパルス）は、ビームスプリッタ８２に戻される。第２の経路に沿って方向づけられるプローブパルスは、可動ミラー８６のターゲット表面から反射され、ターゲットパルス列（すなわち、可動ミラー８６から反射されるプローブパルス）は、ビームスプリッタ８２に戻される。ターゲットおよびリファレンス（プローブ）パルス列は、偏光ビームスプリッタ９２に到達するときに戻りプローブパルスにｓ－偏光を与えるように配置された４分の１波長板８８および半波長板９０を通過する前に、ビームスプリッタ８２で再結合される。

【0065】

ＬＯコム９４は、ＬＯパルスにｐ－偏光を与えるように配置された４分の１波長板９６および半波長板９８をさらに通過する超短ゲートパルス列を発生する。配置は、（ｓ－偏光）プローブパルスおよび（ｐ－偏光）ゲートパルスが、反対の偏光を有して、偏光ビームスプリッタキューブ９２において出会うように構成されている。図２を参照して概説された例のように、これは、ゲートおよびプローブパルスの間の実質的な光干渉を防止する。結合されたプローブおよびＬＯビームは、ビームスプリッタキューブ９２からロングパスフィルタ１００（再び、コムからの吸収されていないポンプ光を遮断するために）に向けられ、レンズ１０２によってシリコンフォトダイオード検出器１０４上に焦点を合わせられる。検出器１０４からの検出された電気信号は、ローパスフィルタ１０６を通して供給され、信号からパルス列を除去し、エンベロープ信号のみを伝達する。次いで、信号は、ディジタイザ１０８上で観察される。この実施形態では、リファレンスおよびターゲット反射（すなわち、検出器１０４に到達するプローブおよびＬＯパルス）は、等しい光学パワーを有し、したがって、検出されたエンベロープは等しい振幅を有する。したがって、図３の配置は、低電力ビームを使用するときに有益であり得る（すなわち、図２の配置におけるガラスくさび４２からの反射は、ミラー８４からの反射よりも弱いため）。

【0066】

図４および図５を参照すると、図２を参照して説明した距離測定装置を使用して収集された生データの例が示されている。特に、図４および図５は、時間の関数として、このような装置のフォトダイオード５８からのフィルタリングされた電気信号を示す。

【0067】

図４に、一連の複数の組のエンベロープが示されている。強度信号の各ピークは、ゲートパルスとプローブパルスが検出器に一緒に到達するときに発生する２光子吸収エフェクトから生じる。図４では、ターゲットおよびリファレンスエンベロープからのピークがほぼ重なっているが、より低い振幅のエンベロープ（すなわち、ガラスくさび４２からのプローブパルスの反射から生じる）およびより高い振幅のエンベロープ（すなわち、ターゲット４４からのプローブパルスの反射から生成される）は依然として見ることができる。

【0068】

図５は、図４に示されるエンベロープの第１の組の（時間的な）拡大図を示す。左側のより低い強度ピークは、ガラスくさび４２から戻されるリファレンスパルスから生じ、一方、右側のより高い強度ピークは、ターゲット４４から戻されるターゲットパルスに起因する。図５の挿入図は、ターゲットパルスから生じる強度ピークのさらなる（時間的な）拡大図である。

【0069】

リファレンスエンベロープとターゲットエンベロープとの間の到着時間の遅延は、ガラスくさび４２（すなわち、リファレンス）とターゲットミラー４４との間の距離に依存する。したがって、リファレンスおよびターゲットエンベロープの到着時間の遅延を識別することによって、飛行時間距離測定（すなわち、リファレンスとターゲットの間の距離を測定すること）を行うことができる。到着時間の遅延を確立するために、様々な異なる技術を使用することができる。例えば、エンベロープを関数に当てはめることで各エンベロープ（すなわち各強度ピーク）の中心点を導き出すことができ、フーリエ変換シフト解析を使って時間遅れを求めることができる等がある。しかしながら、十分に狭く明確に定義されたエンベロープが与えられる場合、単にピーク値の位置を使用することで十分であることが分かっている。これは、干渉計ベースの技術を使用するときに必要とされる複雑な解析と比較して、必要とされるデータ処理を非常に単純にすることができる。

【0070】

つぎに、図６から図９を参照して、従来技術のインターフェロメトリック技術と本発明の多光子エフェクト検出技術との比較を示す。

【0071】

図６は、インターフェロメトリックと多光子エフェクト検出デュアルコム計測との比較を可能とする装置を示す。

【0072】

プローブコム１２０およびＬＯコム１２２は、プローブおよびゲートパルスのほぼ同一の列を提供する。上述のように、プローブおよびＬＯコムは、非常にわずかに異なる繰り返しレートで動作する。プローブコム１２０からのプローブパルス列は、プローブパルスにｓ－偏光を与えるように構成された４分の１波長板１２４および半波長板１２６を通過する。次に、ｓ－偏光プローブパルスは、適切に配置された第１の偏光ビームスプリッタ１２８から第２の偏光ビームスプリッタ１３０に向かって反射される。ＬＯコム１２２からのゲーティングパルス列は、第２の偏光ビームスプリッタ１３０に到達するときにゲーティングパルスがｐ－偏光であるように配置される４分の１波長板１３２および半波長板１３４を通過する。その結果、プローブコム１２０およびＬＯコム１２２からのパルス列は、反対の偏光を有して第２の偏波ビームスプリッタ１３０において出会う。

【0073】

プローブおよびゲートパルスの結合したパルス列は、吸収されていないポンプ光を排除する１３００ｎｍ光学ロングパスフィルタ１３８を介して、第２の偏光ビームスプリッタ１３０から非偏光ビームスプリッタ１３６に渡される。結合されたパルスビームは、（非偏光）ビームスプリッタ１３６によって２つに分割される。透過ビームは、装置の２光子検出分岐に渡され、一方で、反射されたビームは、干渉ベース検出分岐に向けられる。透過ビームは、レンズ１４２によってシリコン光検出器１４０上に焦点を合わせられる。シリコン光検出器１４０は、図２および図３を参照して上述した装置に従って、２光子検出のために構成される。反射されたビームは、レンズ１４８によってインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）光検出器１４６上に焦点を合わせられる前に、プローブパルスとゲートパルスの両方に一致する偏光を与える偏光子１４４を通過する。インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）光検出器１４６は、入射光の（単一光子）検出を可能にするバンドギャップを有する。特に、光検出器１４６は、同じ偏光のプローブおよびゲートパルスの同時到達によって形成される干渉パターンを収集することができる。

【0074】

（２光子）検出器１４０および（単一光子）光検出器１４６からの電気信号は、それぞれ電子ローパスフィルタ１５２および１５４を通過した後、ディジタイザ１５０によって受信される。したがって、ディジタイザ１５０は、シリコン光検出器１４０から２光子信号、およびＩｎＧａＡｓ光検出器１４６から単一光子信号を受信する。図３－図５を参照して上述したように、２光子信号は、多光子吸収プロセス（すなわち、干渉効果に依存しない）によって形成される一連の強度エンベロープを提供する。対照的に、ＩｎＧａＡｓ光検出器１４６からの信号は、インターフェログラム（すなわち、ゲートおよびプローブ光子の光干渉の結果生じる強度パターン）のマッチングシーケンスを提供する。

【0075】

図７ａおよび図７ｂは、図６を参照して上述した装置を使用して収集されたデータを示す。図７ａは、シリコン光検出器１４０から収集されたデータ（すなわち、２光子データ）を示し、図７ｂは、ＩｎＧａＡｓ光検出器１４６から同時に収集されたデータ（すなわち、単一光子または干渉計データ）を示す。

【0076】

図７ａを参照すると、非線形２光子検出技術を用いて（すなわち、光検出器１４０を用いて）収集された生データは、ガウス関数に容易に適合することが理解できる。したがって、強度ピークの中心を容易に抽出することができる。

【0077】

図７ｂは、ＩｎＧａＡｓ光検出器１４６を使用して収集されたインターフェログラムを示す。上述した従来技術のシステムによれば、生データ（線１６０としてプロットされる）は、電界の時間依存性を見ることができるインターフェログラムである。上述したように、ガウス関数（曲線１６４）がヒルベルト変換にフィットする前に、インターフェログラム（曲線１６２）のエンベロープを導出するために、ヒルベルト変換が必要である。このガウス適合は、インターフェログラムの中心点を推定することを可能にする。

【0078】

図７ａおよび７ｂは、本発明による非線形２光子エフェクト検出を使用する利点のいくつかを示している。第一に、非線形２光子エフェクト検出は、強度エンベロープを直接収集し、ヒルベルト変換の必要性を排除することが分かっている。ヒルベルト変換の必要性を回避することで、データ解析プロセスが簡素化され、エンベロープの導出が不正確となるリスクが低減される。第２の利点は、２光子検出プロセスの強い非線形応答から生じる。図７ｂのインターフェログラムのガウスフィットの最大半値の全幅は０．１ｍｓであるが、図７ａのエンベロープのガウスフィットの最大半値の全幅はわずか０．０５ｍｓである。したがって、二光子吸収プロセスの二次応答は、はるかに顕著なピークを有するエンベロープをもたらすことが理解できる。これにより、同等のインターフェログラムの解析と比較して、ピークの中心点のより高い精度での決定を容易にする。

【0079】

次に図８を参照して、２光子検出を使用するさらなる利点を説明する。上述したように、図６を参照して説明される装置のプローブコム１２０およびＬＯコム１２２は、フリーランニングモードロックレーザであることを覚えておくべきである。このようなモードロックレーザによって発生される光パルスに関連付けられる電界の時間依存性は、キャリアと呼ばれる高速の正弦波発振に、よりゆっくりと変化するエンベロープ関数を乗じたものとして記述することができる。パルスが媒体を通して伝播するとき、キャリア波とエンベロープとの間の相対位置は、通常変化する。モードロックレーザでは、パルス列は、通常、レーザ共振器内を循環する単一のパルスから生成される。このパルスが出力カプラーに当たるたびに、その減衰したコピーが、レーザ出力として放出される。通常、往復ごとにキャリアエンベロープのオフセット位相には各往復において一定の変化があり、それは数百または数千ラジアンであることができる。したがって、放出された各パルスは、異なるキャリアエンベロープ位相を有することができる。上述したように、インターフェログラム解析に依存する従来技術のデュアルコムシステムでは、２つのコムによって発生されるパルスのキャリアエンベロープ位相において不変のオフセットを維持するために位相制御ループを提供する必要がある。この２つのコムのキャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ_ＣＥＯ）をロックするための要件は、実装が複雑で産業用用途では実用的でないことが判明している。したがって、２光子検出を使用して可能であるフリーランニングコムの使用は、大きな利点を有することができる。

【0080】

図８を参照すると、ＩｎＧａＡｓ光検出器１４６によって生成された３つのインターフェログラム（すなわち、１光子信号）が、最上部のプロットに示されている。Ｓｉ光検出器１４０によって生成された３つのエンベロープ（すなわち、２光子信号）が、最下部のプロットに示されている。各１光子信号（インターフェログラム）は、そのすぐ下に示されている２光子信号（エンベロープ）と同時に収集された。エンベロープ／インターフェログラムの関連する組は、３つの別々の時間に収集された。

【0081】

フリーランニングコムがプローブおよびＬＯパルス列を発生するために使用されたため、インターフェログラムの位相（すなわち、上側プロット）は、異なる時点で異なっている。言い換えれば、２つのコムのキャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ_ＣＥＯ）は、制御不能な方法で変化した。第１のインターフェログラム（左側）は複数のフリンジを有することが見られ、第２のインターフェログラム（中央）はより少ないフリンジを有するが、第３のインターフェログラム（右側）は非常に少ないフリンジを有する。したがって、ガウスフィットの品質、ひいては、任意のタイミング測定の精度は、２つの周波数コムのキャリアエンベロープ位相の制御不能な変化に応じて変化する。特に、少数のフリンジのみを示す例は、ある時点において不十分に定義されたインターフェログラムを得るリスクを示している。インターフェログラムエンベロープの中間点を決定するために使用されるデータ解析技術は、複数のフリンジを含むインターフェログラムと比較して、このような不十分に定義されたインターフェログラムを使用したより低い精度の距離測定を提供する可能性がある。

【0082】

インターフェログラムとは対照的に、非線形２光子検出によって収集されたエンベロープは、周波数コムの変化するキャリアエンベロープ位相によって影響されないことを理解することができる。これは、多光子吸収エフェクトが干渉効果ではないためである。したがって、非線形２光子検出は、干渉パターンのエンベロープを抽出することに依存する従来のデュアルコム計測技術に比べて、固有の利点を有する。非線形２光子検出では、コムの位相は検出された信号にとって重要でないため、完全に安定化されたコムの要件は、取り除かれる。したがって、非線形２光子検出の使用は、位相安定化周波数コムを使用する必要性を克服するために他者が以前に使用した上記の光相互相関または平衡相互相関技術（balanced cross-correlation techniques）よりもはるかに単純でより洗練された解決策である。

【0083】

次に図９を参照すると、７組のインターフェログラム（最上部のグラフ）と２光子検出エンベロープ（最下部のグラフ）が示されている。各インターフェログラムは、そのすぐ下に示されている２光子検出エンベロープと同時に収集された。同時に収集されたインターフェログラムとエンベロープデータの各組は、関連するインターフェログラムのプロットの上に示されるプローブ／ＬＯの繰り返しレート（Δｆ_ｒｅｐ）の差を使用して取得した。

【0084】

上記で説明したように、Δｆ_ｒｅｐの値は、ＬＯパルスがプローブパルスをゲートするレート（すなわち、ビート周波数）を決定する。一般に、光子干渉エフェクトに基づく従来技術のデュアルコム計測では、より低いΔｆ_ｒｅｐの値は、より高い効果的な光サンプリングレートに対応し、これは、高い精度のデータ解析のための明確に定義されたインターフェログラムの生成を支援する。一方、より高いΔｆ_ｒｅｐの値は、より高速な更新レート（更新レート、Ｔ_{ｕｐｄａｔｅ}はΔｆ_ｒｅｐの逆数に等しい）に対応し、したがって、測定距離の高速スキャンを可能にする。したがって、Δｆ_ｒｅｐの選択された値は、従来技術（干渉ベース）のデュアルコム計測における精度と更新レートとの間のトレードオフを課す。しかしながら、従来のデュアルコム計測では、信号の歪みを避けるために、Δｆ_ｒｅｐの値は、最終的にエイリアシング限界によって制約される。特に、エイリアシング限界（Δｆ_ｌｉｍ）は、式（１）であらわされる。
Δｆ_ｌｉｍ＝ｆ^２ _ｒｅｐ／２Δυ （１）
ここで 、ｆ_ｒｅｐはプローブコムのパルス繰り返しレートであり、Δυは、コムの周波数帯域幅である。周波数帯域幅（Δυ）は、式（２）で与えられる。

Δυ＝ｃ・Δλ/λ_０ ^２ （２）
ここで、ｃは光速、Δλはコムの光帯域幅、λ_０は中心波長である。

【0085】

本実施例では、プローブレーザの繰り返しレートは７８．８７ＭＨｚであり、中心波長は１５５７ｎｍであり、光帯域幅（すなわち、パルスの絶対全幅）は約１５ｎｍであり、エイリアシング限界は約１．７ｋＨｚとなる。

【0086】

図９は、Δｆ_ｒｅｐが増加するとインターフェログラムの形状が明確でなくなり、Δｆ_ｒｅｐが近似エイリアシング限界を超えるとインターフェログラムが歪むことを明確に示している。しかしながら、非線形２光子検出によって同時に収集されたエンベロープは、Δｆ_ｒｅｐが増加しても形状が一貫しており、エイリアシング限界を超えても明確なままである。したがって、非線形２光子検出を使用して、更新レートは、測定精度を損なうことなく、上述のエイリアシング限界を超えることができる。非線形２光子検出のためのΔｆ_ｒｅｐの限界値が存在し、この限界値を超えると、プローブとＬＯパルスの相互通過が速すぎて、あまり明確でないエンベロープが生成されることに注意すべきである。しかしながら、デュアルコム計測で使用される任意のコムの組について、この値は、従来技術の（干渉ベース）技術の限界よりも大きくなるであろう。

【0087】

次に図１０を参照すると、乱流媒体を通る、および／または非協力的なターゲットまでの距離を測定するための本発明の代替的な実施形態が示されている。

【0088】

プローブコム１８０からの超短プローブパルス列は、ファイバサーキュレータ１８２にファイバ結合されている。プローブパルスは、第１のファイバコリメータ１８４を介してファイバサーキュレータ１８２を出る。プローブパルスは、ガラスくさび１８８の（背面）リファレンス表面１８６から部分的に、また、ターゲットミラー（または粗いターゲット）１９０から反射される。戻されたまたは反射されたプローブパルス（すなわち、リファレンス表面１８６およびターゲットミラー１９０から反射されたパルス）は、第１のファイバコリメータ１８４を介してファイバサーキュレータ１８２に結合される。これらの反射パルスは、第２のファイバコリメータ１９４を介してファイバを離れる前にファイバアンプ１９２を通過する。反射されたパルス列は、４分の１波長板１９６および半波長板１９８を通過し、これらは、パルスが偏光ビームスプリッタ２００に到達するときにパルスにｓ－偏光を与えるように最適化される。ＬＯコム２０２は、パルスが偏光ビームスプリッタ２００に到達するときにパルスにｐ－偏光を与えるように最適化される４分の１波長板２０４および半波長板２０６を通過する超短ゲートパルス列を発生する。したがって、プローブコム１８０およびＬＯコム２０２からのパルスは、直交する偏光の状態で偏光波ビームスプリッタ２００において出会う。

【0089】

偏光ビームスプリッタ２００を出るプローブおよびゲートパルスの結合されたパルス列は、光学ハイパスフィルタ２０８を通過し（コムからの吸収されていないポンプ光を除去するために）、レンズ２１２によってＳｉ光検出器２１０上に焦点を合わせられる。上述したように、Ｓｉ光検出器２１０は、２光子エフェクト検出器を提供する。光検出器２１０によって生成された電気信号は、電子ローパスフィルタ２１４を通過してパルス列成分を除去し、ディジタイザまたはオシロスコープ２１６上で観察される。

【0090】

図１０を参照して説明される実施形態は、反射（戻り）プローブ信号を光学的に増幅することが可能であるため有利である。これにより、より低強度のプローブパルスをターゲットに向けて方向づけることを可能とし、および／または、ターゲットの反射率をそうでなければ可能であったよりも低くすることができることを意味する。反射されたプローブパルスの光学的増幅の使用は、通常、干渉計ベースのシステムでは不可能であり、そのような増幅は、波面品質を変化させ、反射されたプローブパルスのキャリアエンベロープ位相特性を乱す。しかしながら、２光子検出配置は、超短パルスの位相特性に対するこのようないかなる妨害にも影響を受けない。

【0091】

次に図１１を参照して、複数のターゲットまでの距離を並行して決定することを可能にする図２を参照して説明される装置の変形例について説明する。図２の装置にも存在する装置の構成要素は、同様の参照番号が付与されている。

【0092】

図２の配置と共通して、プローブコム３０によって発生されるプローブパルスは、第１の４分の１波長板３４および第１の半波長板３６を通過することによってｐ－偏光化される。ｐ－偏光プローブパルス列は、ガラスくさび４２のリファレンス表面によって部分的に反射される前に、第１の偏光ビームスプリッタ３８および第２の４分の１波長板４６を通過する。ガラスくさび４２を通過するパルス列は、ターゲットビームを３つのターゲットビームに分散（分割）する分散光学素子（ＤＯＥ）２３０を通過する。３つのターゲットビームのそれぞれは、第１、第２および第３のターゲットミラー２３２、２３４，および２３６のうちの１つから反射される。ミラーの代わりに再帰反射器を使用することによりプローブパルスの偏光状態を維持することも可能であろう。ガラスくさび４２からの（すなわち、リファレンスパルス）および３つのターゲットミラーそれぞれからの（すなわち、３つのターゲットパルス列）反射は、４分の１波長板４６を再び通過し、それによって、すべての戻りパルスはｓ－偏光になる。ｓ－偏光の反射パルスは、第２の偏光ビームスプリッタ４８でｐ－偏光のゲートパルスと出会い、結合されたビームは、レンズ５６によってＳｉ光検出器５８上に焦点を合わせられる。検出器５８からの電気信号は、ローパスフィルタリングされた後、ディジタイザ６２に渡される。

【0093】

３つのターゲットパルス列（すなわち、３つのターゲットミラー２３２、２３４および２３６のそれぞれから反射されるもの）およびリファレンスパルス列（すなわち、くさび４２からの反射）は、ゲートパルス列によってゲートされる。上記で説明したように、検出された強度信号のピークは、ゲートパルスとプローブパルスが検出器に一緒に到達するときに生じる。この配置では、４つのピークまたはエンベロープを含むセットが順番に繰り返される。４つのエンベロープの各セットは、リファレンスエンベロープ（すなわち、ガラスくさび４２からのプローブパルスの反射から生じる）および３つのターゲットエンベロープ（すなわち、３つのターゲット２３２、２３４、および２３６のそれぞれからのプローブパルスの反射から生成される）を含む。リファレンスエンベロープに対する各ターゲットエンベロープの到着時間の差は、３つのターゲットのそれぞれまでの距離を測定することを可能にする。上記の３つのターゲットビームの使用は単なる例であり、もちろん、異なる数のターゲットビームで同様の配置を実装することが可能であることを覚えておくべきである。

【0094】

次に図１２を参照して、図２を参照して説明される装置の変形例を説明する。光学的配置は、図２を参照して説明したものと同じであるが、フォトダイオード５８によって生成された電気信号は、信号ディジタイザを使用する代わりにタイマベースの配置を使用して解析される。

【0095】

特に、図１２は、電気ローパスフィルタ６０を通過した後に、光検出器５８からの電気信号を受信するマイクロコントローラ２５０を示す。マイクロコントローラ２５０は、第１および第２のタイマを含み、２光子エフェクト検出で発生する強度エンベロープの上昇および／または下降エッジをリアルタイムで検出することができる。（第１の）リファレンスエンベロープの到達は、第１のタイマをスタートさせるマイクロコントローラ２５０によって検出される。（第１の）ターゲットエンベロープの検出は、第１のタイマを停止し、第２のタイマをスタートする。その後の各エンベロープの到達は、実行中のタイマを停止し、他のタイマをスタートする。第１および第２のタイマによって記録された持続時間は、リファレンス光学素子とターゲット光学素子との間の距離の飛行時間を提供する。その結果、シンプルでリアルタイムのライダーシステム（lidar system）が完成する。

【0096】

この配置では、２光子検出の非線形応答であり、これは、エンベロープが容易に検出される（すなわち、タイマを開始／停止する）急峻な上昇勾配を有することを意味する。したがって、デュアルコム設定を使用する従来のライダーの変形例も提供される。２光子検出によって生成されるエンベロープの上昇勾配は、ライダーで通常検出される単一パルスの上昇勾配よりも急峻であり、それによってより高い解像度の範囲測定を提供する。そのようなタイマベースのシステムの使用は図２を参照して上述した装置で使用されるディジタイザ６２によって実行されるデータ解析よりも場合によっては好ましいこともあり得る。

【0097】

次に、図１３、１４ａおよび１４ｂを参照して、本発明による距離計測装置を使用して行われた実験の結果を説明する。

【0098】

まず図１３を参照して、図２を参照して上述したような装置を使用して、約１２ｃｍ離れたリファレンスオブジェクトとターゲットオブジェクトとの間の距離を測定した。多数の距離測定が行われた。図１３は、測定対平均時間のアラン偏差（精度）を示している。

【0099】

上述したように、更新レートは、４ｋＨｚであったコムの繰り返しレートの差（Δｆ_ｒｅｐ）に等しい。２５０μｓの最小取得時間（繰り返しレートの差４ｋＨｚによって設定される）では、測定精度は１７．８μｍである。精度は、サンプル数の平方根としてスケールされ、０．１秒の平均化でμｍ以内（sub-μｍ）の精度に達する。１秒間の平均化の後、精度は１５０ｎｍに達し、これは６３３ｎｍＨｅＮｅレーザを用いた干渉計による測定に引き継ぐのに十分である。２秒間の平均化後、精度は９３ｎｍに達し、大気の変動によって課せられる１０^－７の不確実性の限界を下回る。

【0100】

図１４を参照すると、計測技術の直線性と精度をテストするために、再度、図２を参照して上述した装置を使用して、第２の実験が実施された。ターゲットミラーを平行移動ステージに取り付け、ターゲットミラーまでの距離を１ｃｍの平行移動で、離散的ステップで測定した。測定値は、０．５ｓの平均化で記録された。レニショーＸＬ－８０（Renishaw XL-80）干渉測定システムも、ミラーの平行移動も測定し、グラウンドトゥルースデータを提供した。

【0101】

図１４ａは、ツゥルースデータ（truth data）に対する測定距離を示し、線形関係を示す。図１４ｂは、フィットした直線に対する測定値の残差を示しており、この技術が±４μｍの精度を有することを示唆している。

【0102】

図１５を参照して、本発明の距離計測装置のさらなる代替的な構成を説明する。以下に説明するように、本実施形態は、利用可能なレーザパワーを効率的に使用し、リファレンスパルスおよびターゲットパルスの検出のための別個の経路を有する。プローブコム３００は、第１の偏光回転子３０４を介して第１の偏光ビームスプリッタ３０２に伝達される超短プローブパルス列（すなわち、プローブビームを形成する）を発生する。第１の偏光回転子３０４は、この例では、機械的に回転可能な半波長板であるが、代替的に、液晶セル、または偏光制御のための他の適切な手段を含むことができる。

【0103】

プローブビームのｐ－偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ３０２を通過し、第１の４分の１波長板３０８を介してターゲットミラー３０６に向けて第１の経路に沿って方向づけられる。プローブビームのｓ－偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ３０２によって反射され、第２の４分の１波長板３１２を介してリファレンスミラー３１０に向けて、第２の経路に沿って方向づけられる。ターゲットミラー３０６から反射されるプローブパルス（すなわち、ターゲットパルス列）、およびリファレンスミラー３１０から反射されるプローブパルス（すなわち、リファレンスパルス列）は、第１の偏光ビームスプリッタ３０２に戻り、それらは、第２の偏光ビームスプリッタ３１４に方向づけられる単一のビーム（すなわち、戻りパルス列）に結合される。

【0104】

ＬＯコム３２０は、第２の偏光ビームスプリッタ３１４に向かって、機械的に回転可能な半波長板の形態である第２の偏光回転子３２２（これは、代替的に、液晶セルまたは偏光制御のための他の適切な手段を含むことができることに留意されたい）を通過する超短ゲートパルス列を発生する（すなわち、ＬＯビームを形成する）。

【0105】

ＬＯビームのｐ－偏光成分は、第１のシリコンフォトダイオード検出器３２４に向かって第２の偏光ビームスプリッタ３１４を通過する。プローブビームのｓ－偏光成分（すなわち、ターゲットパルス列）は、第２の偏光ビームスプリッタ３１４によって反射され、したがって、また、第１のシリコンフォトダイオード検出器３２４に向けて方向づけられる。上記の理由から、ハイパス光学フィルタ３２６およびレンズ３２８は、第２の偏光ビームスプリッタ３１４と第１のシリコンフォトダイオード検出器３２４との間に設けられている。したがって、直交する偏光のターゲットパルスおよびゲートパルスが第１のシリコンフォトダイオード検出器３２４に到達することが理解できる。

【0106】

ＬＯビームのｓ－偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ３１４から反射され、第２のシリコンフォトダイオード検出器３３０に向けて方向づけられる。プローブビームのｐ－偏光成分（すなわち、リファレンスパルス列）は、第２の偏光ビームスプリッタ３１４を通して伝達され、第２のシリコンフォトダイオード検出器３３０に向けて方向づけられる。上述の理由から、ハイパス光学フィルタ３３２およびレンズ３３４は、第２の偏光ビームスプリッタ３１４と第２のシリコンフォトダイオード検出器３３０との間に設けられ得る。便宜上、ビームステアリング（折り返し）ミラー３３６も設けられている。したがって、直交する偏光のリファレンスパルス、およびゲートパルスが第２のシリコンフォトダイオード検出器３３０に到達することが理解できる。

【0107】

第１のシリコンフォトダイオード検出器３２４、および第２のシリコンフォトダイオード検出器３３０からの検出された電気信号は、それぞれ第１および第２のローパスフィルタ３４２および３４４を介してマイクロコントローラ３４０に供給される。したがって、２光子エフェクトリファレンス信号、およびターゲット信号は、２つの別個のチャネルを介して検出されるが、マイクロコントローラ３４０は、単一の２光子エフェクト検出器のみが使用される上記のものと同様の解析を実行することができる。例えば、マイクロコントローラ３４０は、ライダータイプの配置を実装するために、ピーク検出を使用してタイマをスタートさせ得る。代替的に、収集された信号を解析して、信号（例えば、リファレンスおよびターゲット）ピークが発生する相対的な時間を決定する、アナライザが提供され得る。

【0108】

重要なことは、第１および第２の偏光回転子３０４および３２２の設置が、装置内の様々な光ビームの相対強度の制御を提供することである。特に、第１の偏光回転子３０４を調整することは、ターゲットミラー３０６、およびリファレンスミラー３１０に方向づけられるプローブビームの相対的な割合を制御する。言い換えれば、システムは、第１の偏光回転子３０４を使用してプローブビームの偏光を回転させることによって、リファレンスおよびターゲットアームのレーザパワーをバランスさせることができる。これにより、ターゲット、およびリファレンスパルスの相対強度を制御することができ、ターゲットから戻る光の量の変化を考慮することができる。例えば、ターゲットの反射率などの影響は、最良の測定信号を生成するために必要な光の量を変化させ得る。第２の偏光回転子３２２は、局所発振器ビームに同様の制御を提供し、それによって、第１および第２のフォトダイオード３２４および３３０によって受信されたＬＯビームの相対量を適切に制御（例えば、バランス）することを可能にする。

【0109】

図１６を参照して、本発明の距離計測装置のさらなる代替的な構成を説明する。

【0110】

プローブコム４００は、第１の半波長板４０４を介して第１の偏光ビームスプリッタ４０２に伝達される超短プローブパルス列（すなわち、プローブビームを形成する）を発生する。プローブビームのｐ－偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４０２を通過し、第１の４分の１波長板４０８を介してターゲットミラー４０６に向けて第１の経路に沿って方向づけられる。プローブビームのｓ－偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４０２によって反射され、第２の４分の１波長板４１２を介してリファレンスミラー３４０に向けて、第２の経路に沿って方向づけられる。ターゲットミラー４０６から反射されるプローブパルス（すなわち、ターゲットパルス列）、およびリファレンスミラー４１０から反射されるプローブパルス（すなわち、リファレンスパルス列）は、第１の偏光ビームスプリッタ４０２に戻り、それらは、第２の偏光ビームスプリッタ４１４に向けて方向づけられる単一のビーム（すなわち、戻りパルス列）に結合される。

【0111】

ＬＯコム４２０は、第２の偏光ビームスプリッタ４１４に向かって第２の半波長板４２２を通過する（すなわち、ＬＯビームを形成する）超短ゲートパルスを発生する。ＬＯビームのｐ－偏光成分は、第１のシリコンフォトダイオード検出器４２４（すなわち、第１の多光子エフェクト検出器素子）に向かって第２の偏光ビームスプリッタ４１４を通過する。プローブビームのｓ－偏光成分（すなわち、ターゲットパルス列）は、第２の偏光ビームスプリッタ４１４によって反射され、したがって、また、第１のシリコンフォトダイオード検出器３２４に向けて方向づけられる。上記の理由から、ハイパス光学フィルタ４２６およびレンズ４２８は、第２の偏光ビームスプリッタ４１４と第１のシリコンフォトダイオード検出器４２４との間に設けられている。したがって、直交する偏光のターゲットパルスおよびゲートパルスが第１のシリコンフォトダイオード検出器４２４に到達することが理解できる。ハイパス光学フィルタ４２６、レンズ４２８、第１のシリコンフォトダイオード検出器４２４、および第１のローパスフィルタ４４２は、共にターゲット検出チャネル４５２を提供する。

【0112】

ＬＯビームのｓ－偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４１４から反射され、第２のシリコンフォトダイオード検出器４３０（すなわち、第２の多光子エフェクト検出器素子）に向かって方向づけられる。プローブビームのｐ－偏光成分（すなわち、リファレンスパルス列）は、第２の偏光ビームスプリッタ４１４を通過して伝達され、第２のシリコンフォトダイオード検出器４３０に向けて方向づけられる。上述の理由から、ハイパス光学フィルタ４３２およびレンズ４３４は、第２の偏光ビームスプリッタ４１４と第２のシリコンフォトダイオード検出器４３０との間に設けられ得る。便宜上、ビームステアリング（折り返し）ミラー４３６も設けられている。したがって、直交する偏光のリファレンスパルス、およびゲートパルスが第２のシリコンフォトダイオード検出器４３０に到達することが理解できる。ハイパス光学フィルタ４３２、レンズ４３４、第２のシリコンフォトダイオード検出器４３０、および第２のローパスフィルタ４４４は、共にリファレンス検出チャネル４５０を提供する。

【0113】

リファレンス検出チャネル４５０およびターゲット検出チャネル４５２からの検出された電気信号は、ライダータイマ回路４４０に供給される。タイマ回路４４０は、ライダータイプの配置を実装するために、ピーク検出を使用してタイマクロック４５４をスタートさせる。特に、リファレンスチャネルからの信号は、タイマクロック４５４をスタートし、ターゲットチャネルからの信号は、ライダータイマクロックを停止する。タイマクロック４５４によって測定される時間差は、絶対距離に比例する。

【0114】

目標までの距離（ｄ）は、次の式（３）により計算されることを覚えておくべきである。

【0115】

【数1】

【0116】

これは次の式（４）のように書き換えることができる。

【0117】

【数2】

【0118】

事実上、システムは、光速ｃをｆ_{ｒｅｐＬＯ}／Δｆ_ｒｅｐの倍率で遅くし、これは、時間測定Δｔは、高分解能の絶対距離測定値ｄを得るために、はるかに低い分解能を必要とすることを意味する。例えば、光の実効速度は、約２万倍遅くすることができ、「時間伸長（time-stretch)」要素とみなすことができる。

【0119】

最大測定レートがΔｆ_ｒｅｐの場合、曖昧さのない範囲はｃ／ｆ_{ｒｅｐＬＯ}で与えられる。したがって、距離分解能、測定レート、および曖昧さのない範囲は、ｆ_{ｒｅｐｐｒｏｂｅ}およびｆ_{ｒｅｐＬＯ}の適切な選択によって調整することができる。

【0120】

各レーザについての繰り返しレートｆ_ｒｅｐは、レーザ共振器の長さによって設定される。曖昧さのない動作範囲（Ｌ_{ｕｎａｍｂ}）の長さは、式（５）によって示される局所発振器（Ｌ_ＬＯ）の長さに関連する。

【0121】

【数3】

【0122】

例えば、３ｍという曖昧さのない範囲内での動作を達成するためには、

【0123】

【数4】

【0124】

のファイバレーザ発振器の共振器は、約２ｍの長さでなければならない。

【0125】

ここで図１７から図１９を参照すると、第１のリファレンスパルス、後続のターゲットパルス、および次のリファレンスパルスの間の時間を記録することがどのようにして可能であるか、および、どのように有利であるかを説明する。これは、２つのライダークロックまたはタイマを使用して達成することができる。特に、この情報により、ターゲットまでの距離だけでなく、隣接するリファレンスパルス間の時間からΔｆ_ｒｅｐも計算することが可能である。

【0126】

図１７を参照すると、図１６に示される配置に光学的に非常に類似している実施形態が示されている。したがって、図１６を参照して説明された実施形態に存在する同じ構成要素を識別するために、同様の参照番号が使用される。図１７の実施形態の主な違いは、リファレンスおよびターゲット検出チャネル４５０および４５２から出力された信号が、両方とも第１のライダータイマ５００および第２のライダータイマ５０２に供給されることである。これらのタイマ５００および５０２は、マスタークロック５０４から導出された同じ時間基準を使用して動作する。ＬＯコム４２０のタイミングもまた、マスタークロック５０４に由来する。

【0127】

第１のライダータイマ５００は、リファレンスパルスによってスタートされ、ターゲットパルスによって停止され、リファレンス－ターゲット時間（ｔ_ＲＴ）を報告する。第２のライダータイマ５０２は、ターゲットパルスを基準にスタートされ、次のリファレンスパルスによって停止され、ターゲット－リファレンス時間（ｔ_ＴＲ）を報告する。

【0128】

図１８を参照すると、図１７の２つのタイマを使用して取得されたタイミング情報が示されている。上のトレース（trace）はリファレンスアーム信号を示し、下のトレースはターゲットアーム信号を示す。リファレンス－ターゲット時間（ｔ_ＲＴ）およびターゲット－リファレンス時間（ｔ_ＴＲ）の値が、２つの一連のＮパルスについて示されている。上記実施例で言及された時間差Δｔは、ｔ_ＲＴに対応することに留意されたい。

【0129】

リファレンス－ターゲット時間（ｔ_ＲＴ）およびターゲット－リファレンス時間（ｔ_ＴＲ）の合計は、リファレンスパルス間の時間またはリファレンス－リファレンス時間（ｔ_ＲＲ）を与える。リファレンスミラー４１０は、可動ではないため、リファレンスパルスは、一定の時間間隔で発生する。これらの間隔の周期は、２つのレーザコム４００および４２０が、異なる繰り返しレート率を考慮して、整列するまでにどれだけの時間がかかるかによって決定される。したがって、リファレンス－リファレンス時間（ｔ_ＲＲ）は、次の式（６）によって繰り返しレートにおける差に関連付けられる。

【0130】

【数5】

【0131】

したがって、距離は式（７）から計算することができる。

【0132】

【数6】

【0133】

ｔ_ＲＴとｔ_ＴＲの両方が（すなわち、第１のライダータイマ５００と第２のライダータイマ５０２によって）測定されるため、Δｆ_ｒｅｐの厳密な制御を必要とせずに距離ｄを確立することが可能である。

【0134】

図１９を次に参照すると、図１６および図１７を参照して説明されたものと同様の配置である実施形態が示されている。したがって、図１６および図１７を参照して説明された実施形態にも存在する本実施形態に存在する同じ構成要素を識別するために、同様の参照番号が使用される。

【0135】

図１９の装置は、Δｆ_ｒｅｐの値のドリフトを補償するためにリファレンスーリファレンス時間（ｔ_ＲＲ）信号を直接使用するという点で、図１７の装置とは異なる。リファレンス－リファレンス時間（ｔ_ＲＲ）は、位相同期ループ（ＰＬＬ）コントローラ６００によって、リファレンス検出チャネル４５０によって出力される信号から導出される。特に、ｔ_ＲＲ時間を表す信号は、 高調波を選択するためにハイパスフィルタに直接供給され、そこから位相同期ループに送られ、そこでその周波数は何倍にもなる（この例ではｋ倍）。ＰＬＬコントローラ６００によって導出された結果として生じるタイミング信号は、第１および第２のライダータイマ５００および５０２によってクロック基準として使用される。このようにして、Δｆ_ｒｅｐにおける任意の変化は、基準クロックの「ティック（tick）」のレートを変化させ、その結果、距離測定における繰り返しレートの任意のそのような変化の影響を自動的に補償する。これは、プローブコム４２０の繰り返しレートを厳密に安定させる必要がないことを意味し、Δｆ_ｒｅｐが時間と共に多少ドリフトすることを許容する。

【0136】

次に図２０を参照すると、異なる方法でタイミング信号を導出する、図１９を参照して説明したものと同様の実施形態が示されている。したがって、図１６、図１７および図１９を参照して説明された実施形態にも存在する本実施形態に存在する同じ構成要素を識別するために、同様の参照番号が使用される。

【0137】

図２０の装置は、プローブコム４００によって生成された光のサンプルを第１の高速フォトダイオード７０２に向けて方向づける第１のガラスくさび７００を含む。ＬＯコム４２０によって生成された光のサンプルを第２の高速フォトダイオード７０６に向けて方向づける第２のガラスくさび７０４も提供される。タイミングコントローラ７０８は、第１および第２のフォトダイオード７０２および７０６から電気信号を受信する。タイミングコントローラ７０８は、各信号をバンドパスフィルタ処理して、無線周波数（ｒ．ｆ．）帯域内にある各信号のｎ次高調波を取得する。次いで、ｒ．ｆ．信号は混合され、任意のΔｆ_ｒｅｐのドリフトに追従するｎ．Δｆ_ｒｅｐを表すそれらのビート周波数が生成される。このｎ．Δｆ_ｒｅｐ信号は２乗され、ＬＩＤＡＲタイマ５００および５０２の基準クロックとして使用され、これにより、距離測定における任意のΔｆ_ｒｅｐのドリフトを補償することができる。

【0138】

図２０を参照して説明された配置は、図１９を参照して説明された配置で生じ得る、測定中のリファレンスミラー４１０の位置の変化に対する感度が取り除かれる。もちろん、そのようなタイミング情報を様々な代替方法で抽出することは可能であろう。例えば、図３を参照して上述した配置でのディジタイザ１０８によって受信された信号を解析して、そのようなタイミング情報を導出することができる。当業者はまた、他の技術が可能であることを認識するであろう。

【0139】

上記の実施形態は、本発明に従って実施することができる装置および方法の単なる例であることを覚えておくべきである。例えば、２光子検出が記載されているが、検出器に３つ以上の光子の同時到着を必要とする多光子エフェクト検出を実装することも可能であろう。さらに、ゲートパルスおよびプローブパルスが、上述した交差偏光配置に代わる方法で、互いに光学的に干渉することを防ぐことが可能であろう。例えば、プローブおよびＬＯコムは、異なる（例えば、重複しない）波長範囲のパルス列を出力することができ、または、検出器上のプローブおよびゲートパルスの入射角は、干渉効果を最小限にするように配置することができる。

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【国際調査報告】