CN110857988A - 测量装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量装置100，包括：激光装置110，其具有激光谐振器并输出具有多个模式的调频激光束；分支部件120，其将调频激光束分支成参考光和测量光；差拍信号生成部件150，其通过混合将测量光照射到待测量物体10而反射的反射光来生成差拍信号；和检测部件160，其对通过以第一频率采样差拍信号而生成的第一采样数据和通过以第二频率采样差拍信号而生成的第二采样数据进行频率分析，其中第一频率是等于激光谐振器的谐振频率的频率或者是等于或大于谐振频率的两倍的频率，第二频率是通过将激光谐振器的谐振频率除以正整数而获得，并提供了一种测量方法。

Description

测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及测量装置和测量方法。
背景技术
已知一种频移反馈激光器(FSFL，frequency-shifted feedback laser)，其在谐振器中设置有频移器(frequency shifter)，并输出多个振荡频率随时间线性变化的纵模(longitudinal-mode)激光。此外，已知一种使用这种FSFL的光学测距仪(例如，参见专利文献1，日本专利第3583906号的说明书，以及非专利文献1，“Distance Sensing by FSFLaser and Its Application”，Takefumi HARA，光学新闻，第7卷，第3期，2012年，第25-31页)。
发明内容
本发明要解决的问题
使用频移反馈激光器(FSFL)的光学测距仪可以以非接触方式获取大量三维信息，并且已经用于例如设计和生产场所。期望这种光学测距仪能够以更高的精度执行测量，同时抑制吞吐量降低。
本发明集中于这一点，并且本发明的目的是使用FSFL提高测量精度同时抑制测量装置的吞吐量降低。
解决问题的手段
根据本发明的第一方面，提供了一种测量装置，该测量装置包括：激光装置，其具有包括频移器和增益介质的激光谐振器，并输出具有多个模式的调频激光束(frequencymodulated laser beam)；分支部件，其将激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光，并且将调频激光束的剩余部分的至少一些分支为测量光；差拍信号生成部件，其通过混合通过将测量光照射到待测量物体而反射的反射光和参考光来生成差拍信号；以及检测部件，其通过对(i)通过以第一频率采样差拍信号而生成的第一采样数据和(ii)以通过第二频率采样差拍信号而生成的第二采样数据执行频率分析，来检测参考光和测量光的传播距离之间的差，其中第一频率是等于激光谐振器的谐振频率的频率或是等于或大于谐振频率的两倍的频率，第二频率是通过将激光谐振器的谐振频率除以正整数而获得的。
差拍信号生成部件正交可以检测反射光和参考光。检测部件可以将可使用第一频率检测的第一频带划分成使用第二频率检测的第二频率带宽的多个频带，并且可以从划分的多个频带当中确定其中生成差拍信号的频带。
检测部件可以在不同的采样时间使用第一频率和第二频率采样差拍信号，使得通过对第二采样数据的频率分析而获得的频率分辨率高于通过对第一采样数据的频率分析而获得的频率分辨率。
检测部件可以使用具有比第一采样数据更少的数据段的第二采样数据来执行频率分析。激光装置可以在激光谐振器中包括可变延迟量类型的光学延迟部件。
在第二采样数据的频率分析中，当一个线谱的线宽超过阈值时，检测部件可以向光学延迟部件发送用于调节延迟量的控制信号。
在本发明的第二方面，提供了一种测量方法，该测量方法包括以下步骤：从具有包括频移器和增益介质的激光谐振器的激光装置输出具有多个模式的调频激光束；将调频激光束的一部分分支为参考光，并且将调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；通过混合通过将测量光照射到待测量物体而反射的反射光和参考光来生成差拍信号；通过以等于激光谐振器的谐振频率的频率或以等于或大于激光谐振器的谐振频率的两倍的第一频率采样差拍信号来生成第一采样数据；通过以将激光谐振器的谐振频率除以正整数而获得的第二频率采样差拍信号来生成第二采样数据；以及基于对第一采样数据和第二采样数据的频率分析结果来检测参考光和测量光的传播距离之间的差。
该测量方法还可以包括：基于第一采样数据将可由第一频率检测的第一频带划分成由第二频率检测的第二频率带宽的多个频带，以从划分的多个频带当中确定其中生成差拍信号的频带。
该激光装置可以在激光谐振器中包括可变延迟量类型的光学延迟部件，并且该方法还可以包括：调节光学延迟部件的延迟量，使得激光谐振器的谐振频率与第二频率具有预定关系。
本发明的效果
根据本发明，在使用FSFL的测量装置中，存在提高测量精度同时抑制吞吐量降低的效果。
附图说明
图1示出了根据本实施例的测量装置100以及待测量物体10的配置示例。
图2示出了根据本实施例的激光装置110的配置示例。
图3示出了根据本实施例的从激光装置110输出的激光束的示例。
图4示出了(i)根据本实施例的由测量装置100检测到的差拍信号的频率和(ii)光学头部件(optical head part)140和待测量物体10之间的距离d之间的关系的示例。
图5示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160的配置示例。
图6示出了根据本实施例的由差拍信号生成部件150和检测部件160进行的正交检测的概要的示例。
图7示出了根据本实施例的检测部件160的欠采样的概要的示例。
图8示出了根据本实施例的由检测部件160执行的欠采样的结果的第一示例。
图9示出了根据本实施例的由检测部件160执行的欠采样的结果的第二示例。
图10是示出根据本实施例的测量装置100的操作的一个示例的流程图。
图11示出了根据本实施例的激光装置110的配置的变型示例。
具体实施方式
[测量装置100的配置示例]
图1示出了根据本实施例的测量装置100以及待测量物体10的配置示例。测量装置100光学地测量测量装置100和待测量物体10之间的距离。此外，测量装置100可以通过扫描照射到待测量物体10的激光束的位置来测量待测量物体10的三维形状。测量装置100包括激光装置110、分支部件120、光环行器130、光学头部件140、差拍信号生成部件150、检测部件160和显示部件170。
激光装置110具有激光谐振器，并输出具有多个模式的调频激光束。激光装置110在谐振器中设置有频移器，并且输出多个振荡频率随着时间的推移而线性变化的纵模激光。激光装置110是例如频移反馈激光器(FSFL)。FSFL将在后面描述。
分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束进行分支，其一部分作为参考光，其剩余部分中的至少一些作为测量光。分支部件120是例如光纤耦合器。在图1的示例中，分支部件120将测量光提供给光环行器130，并将参考光提供给差拍信号生成部件150。
光环行器130具有多个输入/输出端口。例如，光环行器130将从一个端口输入的光输出到下一端口，并将从下一端口输入的光输出到下下个端口。
图1示出了光环行器130具有三个输入/输出端口的示例。在这种情况下，光环行器130将从分支部件120提供的测量光输出到光学头部件140。此外，光环行器130将从光学头部件140输入的光输出到差拍信号生成部件150。
光学头部件140将从光环行器130输入的光照射到待测量物体10。光学头部件140包括例如准直透镜。在这种情况下，光学头部件140首先通过准直透镜将从光环行器130经由光纤输入的光调节成光束形状，然后输出光。
此外，光学头部件140接收照射在待测量物体10上的测量光的反射光。光学头部件140通过准直透镜将接收的反射光聚焦到光纤上，并将其提供给光环行器130。在这种情况下，光学头部件140可以包括一个公共准直透镜，该准直透镜可以用测量光照射待测量物体10，并且可以接收来自待测量物体10的反射光。光学头部件140和待测量物体10之间的距离被定义为d。
可选地，光学头部件140可以包括聚光透镜。在这种情况下，光学头部件140将从光环行器130经由光纤输入的光聚焦在待测量物体10的表面上。光学头部件140接收在待测量物体10的表面上反射的反射光的至少一部分。光学头部件140使用聚光透镜将接收的反射光聚焦到光纤上，并将光提供给光环行器130。同样在这种情况下，光学头部件140可以包括一个公共聚光透镜，并且可以使用聚光透镜用测量光照射待测量物体10，并且可以接收来自待测量物体10的反射光。
差拍信号生成部件150从光环行器130接收反射光，该反射光是照射到待测量物体10上并从待测量物体10反射的测量光。此外，差拍信号生成部件150从分支部件120接收参考光。差拍信号生成部件150混合反射光和参考光以生成差拍信号。差拍信号生成部件150包括例如光电转换元件，将差拍信号转换成电信号，并输出电信号。
这里，由于反射光已经在从光学头部件140到待测量物体10的距离上来回行进，所以与参考光相比，出现与至少距离2d相对应的传播距离差。由于从激光装置110输出的光的振荡频率随着时间的推移而线性变化，所以在参考光和反射光的振荡频率中出现取决于与传播距离差相对应的传播延迟的频率差。差拍信号生成部件150生成与这种频率差相对应的差拍信号。
检测部件160通过对差拍信号生成部件150生成的差拍信号进行频率分析，来检测参考光和测量光之间的传播距离差。检测部件160以不同的采样频率采样差拍信号，并对差拍信号执行频率分析。下面将描述检测部件160的频率分析。
显示部件170显示检测部件160的分析结果。显示部件170可以包括显示器等以显示检测结果。显示部件170可以将分析结果存储在存储单元等中。
上述测量装置100可以通过分析照射到待测量物体10上的测量光的反射光与参考光之间的频率差，来测量测量装置100和待测量物体10之间的距离。也就是说，测量装置100可以形成非接触和非破坏性光学测距仪。接下来，将描述测量装置100的更详细的配置。
[激光装置110的配置示例]
图2示出了根据本实施例的激光装置110的配置示例。图2的激光装置110示出了FSFL的示例。激光装置110包括激光谐振器，并且在激光谐振器中振荡激光束。激光装置110的激光谐振器包括含有频移器112、增益介质114、WDM(wavelength-divisionmultiplexing，波分复用)耦合器116、泵浦光源117和输出耦合器118的激光谐振器。
通过近似恒定频率，频移器112移动要输入的光的频率。频移器112是例如具有声光元件的声光频移器(AOFS，acousto-optic frequency shifter)。这里，频移器112的频移量被设置为+νs。也就是说，频移器112移动围绕谐振器循环的光的频率，使每一轮增加频率νs。
增益介质114被供应泵浦光并放大输入光。增益介质114是例如掺杂有杂质的光纤。杂质是例如稀土元素，诸如铒、钕、镱、铽、铥等。增益介质114经由WDM耦合器116被供应来自泵浦光源117的泵浦光。输出耦合器118向外部设备输出已经在谐振器中激光振荡的一部分光。
也就是说，图2所示的激光装置110包含在谐振器中具有频移器112的光纤环形激光器。激光装置110优选地进一步在谐振器中包含隔离器。此外，激光装置110可以具有光学带通滤波器，该光学带通滤波器使谐振器中具有预定波段的光通过。下面将描述从激光装置110输出的激光束的频率特性。
图3示出了根据本实施例的从激光装置110输出的激光束的示例。图3在左侧示出了在时间t0由激光装置110输出的激光束的光谱。在光谱中，横轴表示光强，纵轴表示光的频率。此外，光谱的多个纵模由数字q表示。多个纵模的频率以近似恒定的频率间隔排列。假设τRT(＝1/νC)表示光围绕谐振器传播的时间，多个纵模以1/τRT(＝νC)的间隔排列，如以下等式所示。应当注意，ν0是时间t0处光谱的初始频率。
[等式1]
图3在右侧示出了由激光装置110输出的多个纵模的随时间推移的频率变化。在图3的右侧，横轴表示时间，纵轴表示频率。也就是说，图3在右侧示出了从激光装置110输出的激光束的频率随时间的变化，而在左侧示出了激光束在时间t0的瞬时频率。
在激光装置110中，每当谐振器中的光围绕谐振器传播时，频移器112将围绕谐振器行进的光的频率增加νs。也就是说，由于每一模式的频率每经过τRT都增加νs，所以频率的时间变化dν/dt变得近似等于νs/τRT。
[等式2]
[距离测量过程的细节]
根据本实施例的测量装置100通过使用输出由等式2表示的频率元素的激光装置110，来测量光学头部件140和待测量物体10之间的距离d。假设参考光和反射光之间的光程差仅仅是距离2d，即往复的距离d，并且与距离2d相对应的传播延迟是Δt。也就是说，当测量光在时间t被反射并从待测量物体10返回时，返回的反射光的频率近似匹配于比时间t早时间Δt的以往频率，因此可以由以下等式表示。
[等式3]
Figure BDA0002173961720000071
同时，在时间t的参考光可以通过与等式2相似的方式由以下等式表示，其中参考光是νq’(t)。
[等式4]
Figure BDA0002173961720000072
因为差拍信号生成部件150叠加反射光和参考光，所以在由等式3表示的多个纵模和由等式4表示的多个纵模之间生成多个差拍信号。假设这种差拍信号的频率是νB(m,d)，νB(m,d)可以由根据等式3和等式4的以下等式表示，其中m是纵模数的间隔(＝q-q’)，且Δt＝2d/c。
[等式5]
Figure BDA0002173961720000073
根据等式5，距离d由以下等式表示，其中1/τRT＝νc。
[等式6]
Figure BDA0002173961720000074
从等式6可以理解，距离d可以通过确定纵模数的间隔m从差拍信号的频率观测结果来计算。应当注意，当激光装置110的频移量νs改变时，间隔m可以通过检测差拍信号的变化来确定。由于这种确定间隔m的方法是已知的，如专利文献1等中所述，所以省略其详细描述。
由于观测到的差拍信号总是正频率，所以在计算中，在负频率侧生成的差拍信号被折回到正侧上，并作为图像信号来观测。接下来，将描述这种图像信号的生成。
图4示出了根据本实施例的由测量装置100检测到的差拍信号的频率与光学头部件140和待测量物体10之间的距离d之间的关系的示例。在图4中，横轴表示距离d，纵轴表示差拍信号的频率νB(m,d)。由图4中实线所示的多条直线是示出对于多个m中的每一个m、差拍信号的频率νB(m,d)相对于距离d的关系(如等式5所示)的曲线图。
如图4所示，生成与m值相对应的多个差拍信号。然而，由于包括在反射光和参考光的每一个中的多个纵模以近似恒定的频率间隔νc排列，所以具有相等m值的多个差拍信号叠加在频率轴上近似相同的频率上。例如，当观测到频率0和νc之间的频带时，多个差拍信号叠加在近似相同的频率上，并且被观测为单线频谱。
此外，在小于0的负范围内差拍信号的频率νB(m,d)被进一步观测为图像信号。也就是说，图4的纵轴小于0的区域的曲线图以频率0作为边界被折回。图4通过多条虚线示出折叠的图像信号。由于只有折叠的图像信号的正负被反转，所以图像信号以与折叠之前的频率的绝对值相同的频率叠加到观测频率轴上。例如，当观测到频率0和νc之间的频带时，差拍信号和图像信号分别位于不同的频率，除非差拍信号和图像信号的频率变为νc/2。
如上所述，在频率0和νc之间的观测频带中，生成了两个线光谱，它们是(i)差拍信号νB(m,d)和(ii)图像信号νB(m′,d)，图像信号νB(m′,d)的m值不同于差拍信号νB(m,d)的m值。这里，作为一个示例，m′＝m+1。在这种情况下，差拍信号生成部件150可以通过使用正交检测来消除这种图像信号。接下来，将描述使用正交检测的差拍信号生成部件150和检测部件160。
图5示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160的配置示例。差拍信号生成部件150正交检测反射光和参考光。差拍信号生成部件150包括光学90度混合器152和两个光电转换部件154。
光学90度混合器152分别将输入的反射光和输入的参考光分支成两部分。光学90度混合器152用光学耦合器等将分支的反射光之一与分支的参考光之一复用，以生成第一差拍信号。光学90度混合器152通过光学耦合器等将另一分支的反射光与另一分支的参考光复用，以生成第二差拍信号。这里，光学90度混合器152在两个分支的参考光之间生成90度相位差之后生成差拍信号。例如，光学90度混合器152在穿过π/2波长板后将两个分支的参考光之一与反射光复用。
光电转换部件154接收复用的反射光和参考光，并将它们转换成电信号。光电转换部件154可以是光电二极管等。光电转换部件154是例如平衡光电二极管。在图5中，假设两个光电转换部件154中的一个生成第一差拍信号，另一个光电转换部件154生成第二差拍信号。如上所述，差拍信号生成部件150通过将两个参考光与相位相差90度的两个反射光分别复用来执行正交检测，并将两个差拍信号输出到检测部件160。
检测部件160对两个差拍信号执行频率分析。这里，将描述检测部件160使用第一差拍信号作为信号I且使用第二差拍信号作为信号Q来执行频率分析的示例。检测部件160包括第一滤波器部件162、第二滤波器部件164、第一AD转换部件202、第二AD转换部件204、时钟信号供应部件210和频率分析部件220。
第一滤波器部件162和第二滤波器部件164减少与用户等想要分析的频带不同的频带中的信号分量。这里，用户等想要分析的频带被设置为从0到νc。第一滤波器部件162和第二滤波器部件164是例如使频率等于或小于νc的信号分量通过的低通滤波器。在这种情况下，第一滤波器部件162将通过减少频率高于νc的信号分量而获得的第一差拍信号供应给第一AD转换部件202。此外，第二滤波器部件164将通过减少频率高于νc的信号分量而获得的第二差拍信号供应给第二AD转换部件204。
第一AD转换部件202和第二AD转换部件204将待输入的模拟信号转换成数字信号。例如，第一AD转换部件202将第一差拍信号转换成数字信号，第二AD转换部件204将第二差拍信号转换成数字信号。时钟信号供应部件210向第一AD转换部件202和第二AD转换部件204供应时钟信号。由此，第一AD转换部件202和第二AD转换部件204以与接收的时钟信号的频率近似相同的采样率将模拟信号转换成数字信号。
这里，当观测频带从0到νc时，差拍信号的频率至多是激光谐振器的谐振频率νc。因此，时钟信号供应部件210将频率等于或大于激光谐振器的谐振频率νc的两倍的时钟信号供应给第一AD转换部件202和第二AD转换部件204，由此可以观测到差拍信号。这里，谐振频率νc的两倍或更多倍的频率应为第一频率。以这种方式，检测部件160对通过以第一频率采样差拍信号而生成的、作为第一采样数据的第一差拍信号和第二差拍信号执行频率分析。
频率分析部件220将第一差拍信号和第二差拍信号转换成频率数据。作为示例，频率分析部件220对第一差拍信号和第二差拍信号执行数字傅立叶变换(DFT，digitalFourier transform)。频率分析部件220将转换成频率数据的第一差拍信号作为实部相加，将转换成频率数据的第二差拍信号作为虚部相加，并消除图像信号。下面将描述差拍信号生成部件150中的正交检测和检测部件160中的频率分析。
在差拍信号被转换成数字信号之后，检测部件160可以使用集成电路等来配置频率分析部件220。例如，检测部件160可以包括现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)和/或中央处理单元(CPU)。
当检测部件160的至少一部分由计算机等配置时，检测部件160包括存储单元和控制单元。存储单元包括例如存储实现频率分析部件220的计算机等的基本输入输出系统(BIOS)等的只读存储器(ROM)，以及用作工作区域的随机存取存储器(RAM)。存储单元可以存储各种信息，包括操作系统(OS)、应用程序和/或在执行应用程序时要参考的数据库。也就是说，存储单元可以包括大容量存储设备，例如硬盘驱动器(HDD)和/或固态驱动器(SSD)。
控制单元是诸如CPU的处理器，并且通过执行存储在存储单元中的程序来充当频率分析部件220。控制单元可以包括图形处理单元(GPU)等。
图6示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160的正交检测的概要的示例。在图6中，横轴表示差拍信号的频率，纵轴表示信号强度。图6示出了信号I和信号Q中的一个的频谱。信号I和信号Q两者的频谱具有近似相同的频谱形状，如图6的上部所示。例如，在信号I和信号Q中，在频率0和νc之间的频带中观测到差拍信号νB(m,d)和图像信号νB(m+1,d)。在这种情况下，在信号I和Q中，差拍信号-νB(m,d)和图像信号的原始差拍信号-νB(m+1,d)存在于负侧的频率0和-νc之间的频带中。
这里，由于信号I和信号Q是由差拍信号生成部件150正交检测的信号分量，所以它们即使频谱形状相同，也包括不同的相位信息。例如，在正侧的频率0和νc之间的频带中，信号I和信号Q的图像信号νB(m+1,d)的相位相互反转。类似地，在负侧的频率0和-νc之间的频带中，信号I和Q的差拍信号-νB(m,d)的相位相互反转。
因此，如图6的下部所示，当频率分析部件220使用信号I和信号Q计算I+jQ时，在频率0和νc之间的频带中，频率νB(m,d)的差拍信号彼此增强，而频率νB(m+1,d)的图像信号彼此消除。类似地，在频率0和-νc之间的频带中，频率-νB(m+1,d)的差拍信号彼此增强，而频率-νB(m,d)的差拍信号彼此消除。
根据频率分析部件220的频率分析结果，对于频率0和νc之间的频带中的频率νB(m,d)，观测到一个差拍信号。由于测量装置100可以以这种方式消除图像信号，所以可以测量光学头部件140和待测量物体10之间的距离d。
这里，由测量装置100测量的距离d由等式6表示。也就是说，νs和νc的值越大，差拍信号的信号频率νB(m,d)的测量精度对距离d的测量精度的影响越小。此外，由于νc也可能包括测量误差，所以优选更小的m值。从图4的示例可以看出，当距离d相同时，νs越小，m的值变得越小。因此，为了提高距离d的测量精度，与增加νs的值相比，优选增加νc的值。然而，由于νc是观测频带中差拍信号被最大化的频率，所以增加νc的值与增加采样频率相对应。
此外，νB(m,d)和νc的测量精度受频率分辨率的影响很大，频率分辨率是采样时间的倒数。也就是说，为了提高νB(m,d)和νc的测量精度，优选地延长采样时间。
如上所述，为了提高距离d的测量精度，优选在更长采样时间内以更高采样频率对差拍信号进行采样，因此样本数据的数量会增加。随着样本数据的数量增加，频率分析中涉及的时间变长，从而第一采样数据的距离测量可以降低吞吐量。
这里，在观测频带中，要观测的差拍信号的数量是一个，并且差拍信号的信号频谱宽度大约为几百kHz。在这种情况下，除了正常的过采样之外，还可以通过将欠采样与降低的采样频率相结合来减少样本数据的数量。这种欠采样将在下面描述。
[欠采样]
图7示出了根据本实施例的检测部件160的欠采样的概要的示例。图7的上图示出了从频率0到νc的待观测频带，这可以通过使用第一频率进行采样来检测。这里，从0到νc的频带被定义为第一频带。此外，通过采样频率fs进行欠采样的观测频带被设置为从0到fs，其中从0到fs的频带被定义为第二频带。应当注意，fs<νc。图7示出了其中第一频带被第二频带的带宽fs划分成多个片段的示例性情况。在图7中，从低频侧起，多个频带为频带1、频带2等。此外，示出了其中差拍信号存在于频带3中包括的频率F处的示例。
图7的下图示出了通过欠采样观测到的示例性频带fs。频带fs的信号分量是叠加多个划分的频带1、2等的信号分量的结果。此外，示出了在频率f′观测到差拍信号的示例。这里，当通过欠采样观测时，频率f′和第一频带(原始观测频带)中的频率F可以由以下等式的关系表示，其中“％”是模运算。
[等式7]
f′＝F％fs
这里，如果知道通过欠采样观测到的信号分量f′来自原始观测频带的哪个频带，则可以计算原始频带中的频率位置F。例如，如果信号分量f′的频带数是n，则频率位置F可以使用以下等式来计算。
[等式8]
F＝(n-1)·fs+f′
因为在这种欠采样中，采样频率fs低于第一频率，所以可以用比第一采样数据更少的采样数据来提高测量精度。也就是说，例如，测量装置100通过以低精度对第一采样数据进行频率分析来确定n的值，该低精度足以确定差拍信号属于哪个频带。然后，测量装置100通过高精度欠采样来观测信号频率f′，并根据等式8计算差拍信号的频率F。由此，期望在抑制吞吐量降低的同时以高精度测量差拍信号的频率F。
然而，如图6中所描述的，尽管通过正交检测在第一频带中存在一个差拍信号νB(m,d)，但是在0到-νc的负频带中也存在相差m的差拍信号νB(m+1,d)。当执行欠采样时，除了基于差拍信号νB(m,d)的信号分量之外，基于差拍信号νB(m+1,d)的信号分量也被叠加，并且变得不可能区分哪个是待观测的差拍信号。
图8示出了根据本实施例的由检测部件160执行的欠采样的结果的第一示例。在图8中，横轴表示频率，纵轴表示信号强度。图8示出了νc＝100MHz、νB(m,d)＝25.4MHz、νB(m+1,d)＝-74.6Mhz以及欠采样频率fs＝30MHz的示例。应当注意，每个信号都是正弦波，并且具有近似相同的幅度值。
频率νB(m,d)的差拍信号是包括在频带1中的信号，欠采样结果也将位于25.4MHz。频率νB(m+1,d)的差拍信号是包括在负方向的第三频带中的信号，并且当信号通过欠采样被折回为频率为-14.6MHz的信号时，该差拍信号将位于15.4MHz。以这种方式，如果简单地执行欠采样，则在观测频带中存在两个信号分量，并且不可能区分要观测的差拍信号。
如上所述，传统上难以通过组合过采样和欠采样对测量装置100的差拍信号执行频率分析。也就是说，难以在抑制吞吐量降低的同时提高测量精度。
根据本实施例的测量装置100可以通过将欠采样的采样频率设置为与激光谐振器的谐振频率相对应的频率来区分待观测的差拍信号。更具体地，检测部件160使用通过将激光谐振器的谐振频率除以正整数而获得的频率作为欠采样的采样频率。这里，作为激光谐振器的谐振频率νc的整数部分的频率被定义为第二频率。正整数是大于0的整数，例如，第二频率表示为νc/k，即，νc除以k(＝1，2，3，...)。
然后，检测部件160对第一采样数据和以第二频率采样并生成的第二采样数据执行频率分析，并且检测参考光和测量光的传播距离之间的差d。这里，根据等式5，差拍信号νB(m,d)和差拍信号νB(m+1,d)之间的频率差是νc。因此，假设第二频率νc/k是采样频率fs，通过欠采样观测到的频率f′变成近似相同的频率，而不管差拍信号νB(m,d)或差拍信号νB(m+1,d)是否被代入等式7。
也就是说，通过将采样频率设置为第二频率，通过欠采样生成的差拍信号νB(m,d)和差拍信号νB(m+1,d)的频率变得近似相同。图9示出了根据本实施例的由检测部件160执行的欠采样的结果的第二示例。在图9中，横轴表示频率，纵轴表示信号强度。图9示出了νc＝100MHz、νB(m,d)＝25.4MHz、νB(m+1,d)＝-74.6MHz以及欠采样频率fs＝10MHz的示例。也就是说，k＝10。应当注意，每个信号都是正弦波，并且具有近似相同的幅度值。
频率νB(m,d)的差拍信号是包括在频带3中的信号，欠采样结果位于5.4MHz。频率νB(m+1,d)的差拍信号是包括在负方向的第八频带中的信号，并且由于欠采样而产生的-4.6MHz的信号返回到差拍信号，并且频率νB(m+1,d)的差拍信号位于5.4MHz。以这种方式，通过将第二频率设置为与激光谐振器的谐振频率相对应的频率，可以使两个差拍信号看起来是一个线谱。
如上所述，由于根据本实施例的测量装置100在即使差拍信号被欠采样的情况下也可以辨别待观测的差拍信号，所以可以通过组合欠采样和过采样来检测传播距离的差d。如上所述，检测部件160在不同采样时间使用第一频率和第二频率采样差拍信号，使得通过对第二采样数据的频率分析而获得的频率分辨率高于通过对第一采样数据的频率分析而获得的频率分辨率。结果，测量装置100可以用高精度测量光学头部件140和待测量物体10之间的距离d，同时抑制吞吐量降低。下面将描述测量装置100的操作。
[测量装置100的操作]
图10是示出根据本实施例的测量装置100的操作的一个示例的流程图。测量装置100通过执行从图10的步骤S1010到S1060的操作来测量光学头部件140和待测量物体10之间的距离d。
首先，在步骤S1010中，具有包括频移器和增益介质的激光谐振器的激光装置110输出具有多个模式的调频激光束。然后，分支部件120将调频激光束分支，其一部分作为参考光，其剩余部分中的至少一些作为测量光。光学头部件140用测量光照射待测量物体10。
接下来，在步骤S1020中，光学头部件140接收从待测量物体10反射的反射光。然后，差拍信号生成部件150混合反射光和参考光以生成差拍信号。这里，差拍信号生成部件150可以通过正交检测生成差拍信号：信号I和信号Q。
接下来，在步骤S1030中，检测部件160以等于或大于激光谐振器的谐振频率的两倍的第一频率采样差拍信号，以生成第一采样数据。也就是说，时钟信号供应部件210将第一频率的时钟信号供应给第一AD转换部件202和第二AD转换部件204，以生成第一采样数据。
接下来，在步骤S1040中，检测部件160基于第一采样数据确定其中生成差拍信号的频带。也就是说，频率分析部件220对作为第一采样数据的信号I和Q执行频率转换，以计算I+jQ。然后，频率分析部件220将通过第一频率检测的第一频带划分为可通过第二频率检测的第二频率带宽的多个频带，并从划分的多个频带当中确定其中生成差拍信号的频带。例如，频率分析部件220通过指定等式8中的n的值来确定其中生成差拍信号的频带。
接下来，在步骤S1050中，检测部件160以等于或低于激光谐振器的谐振频率的第二频率采样差拍信号，以生成第二采样数据。这里，第二频率是通过将激光谐振器的谐振频率除以正整数而获得的频率。也就是说，时钟信号供应部件210将第二频率的时钟信号供应给第一AD转换部件202和第二AD转换部件204，以生成第二采样数据。
接下来，在步骤S1060中，检测部件160基于对第一采样数据和第二采样数据的频率分析结果来检测参考光和测量光之间的传播距离差。频率分析部件220对作为第二采样数据的信号I和信号Q执行频率转换，以计算I+jQ。然后，频率分析部件220将生成差拍信号的频率f′和n的值代入等式8，并计算第一频带中的频率F。然后，频率分析部件220使用等式6计算光学头部件140和待测量物体10之间的距离d。显示部件170显示计算出的距离d的值。
如上所述，测量装置100可以通过使用两个采样频率采样差拍信号来高速且高精度地测量光学头部件140和待测量物体10之间的距离d。测量装置100可以通过重复图10中所示的操作同时改变调频激光束照射到待测量物体10上的位置，来测量待测量物体10的几何形状。
应当注意，在图10所示的操作中，示出了顺序执行步骤S1030生成第一采样数据、步骤S1040确定其中生成差拍信号的频带、以及步骤S1050生成第二采样数据的示例，但是操作不限于此。测量装置100可以独立地执行第一采样数据的生成和第二采样数据的生成。例如，测量装置100可以并行地执行步骤S1030生成第一采样数据、步骤S1040确定其中生成差拍信号的频带、以及步骤S1050生成第二采样数据。
[变型示例]
在根据本实施例的测量装置100中，上面已经描述了以与激光谐振器的谐振频率相对应的第二频率采样差拍信号以生成第二采样数据的示例。这里，激光装置110可以进一步包括用于调节谐振器中振腔长度(resonator length)的配置，并且第二频率可以是可调节的。接下来，将描述这种激光装置110。
图11示出了根据本实施例的激光装置110的配置的变型示例。在变型示例的激光装置110中，由相同的附图标记表示与图2所示的根据本实施例的激光装置110的操作近似相同的操作，并且省略其描述。本修改的激光装置110进一步在激光谐振器中包括可变延迟量类型的光学延迟部件240。
光学延迟部件240根据从外部供应的控制信号等改变延迟时间，直到输出输入光。光学延迟部件240是例如可变延迟线，其光程长度可以调节。也就是说，光学延迟部件240可以调节谐振器的振腔长度。光学延迟部件240例如从检测部件160接收用于控制光程长度的控制信号。
在这种情况下，检测部件160响应于对第二采样数据的频率分析结果中的两条线谱的观测，将控制信号发送到光学延迟部件240。检测部件160可以响应于第二采样数据的频率分析结果中一个线谱的线宽超过预定阈值，将控制信号发送到光学延迟部件240。
通过这样做，即使谐振频率由于激光装置110的制造变化、环境波动、时间变化等而波动，激光装置110也可以控制谐振频率和第二频率具有预定的关系。此外，即使检测部件160侧的采样频率以相同方式波动，激光装置110也可以控制谐振频率和第二频率具有预定的关系。
当提供如图11所示的激光装置110时，测量装置100优选地进一步执行在图10所示的操作中调节光学延迟部件240的延迟量的步骤。测量装置100优选地在图10所示操作的步骤S1050之前的阶段执行调节延迟量的步骤。例如，测量装置100可以在执行图10所示的操作之前执行调节延迟量的步骤，或者可以替代地紧接在S1050之前执行调节延迟量的步骤。
在根据上述本实施例的测量装置100中，已经描述了为了消除图像信号而正交检测差拍信号的示例，但是本发明不限于此。检测部件160可以省略正交检测，并且可以以第一频率采样差拍信号以执行频率转换。在这种情况下，例如，检测部件160控制光学延迟部件240的延迟量，并且观测生成差拍信号的频率相对于振腔长度变化的变化。
当省略正交检测时，在第一频带中观测到差拍信号和图像信号。然而，由于图像信号在负频带中被折回，所以差拍信号中信号频率相对于振腔长度变化的变化与图像信号中信号频率相对于振腔长度变化的变化是彼此相反的。因此，检测部件160可以通过检测信号频率相对于振腔长度变化的变化是否在预定方向上来区分差拍信号或图像信号。
如果可以区分差拍信号，则由于可以估计通过欠采样生成的频率位置，所以即使在欠采样中出现两条线谱，检测部件160也可以区分待观测的差拍信号。因此，即使当省略正交检测时，测量装置100也能够以高速和高精度测量光学头部件140和待测量物体10之间的距离d。
在上述实施例的测量装置100中，已经描述了检测部件160以等于或大于激光谐振器的谐振频率的两倍的第一频率采样差拍信号以确定其中生成差拍信号的频带的示例，但是本发明不限于此。例如，检测部件160可以以第一频率采样差拍信号，其中以与激光谐振器的谐振频率相等的频率作为第一频率。如图4所示，当采样频率是谐振频率νc时，生成差拍信号νB(m,d)的频率和生成图像信号νB(m′,d)的频率在观测频带内近似匹配，其中m′＝m+1。
也就是说，不需要分离差拍信号νB(m,d)和图像信号νB(m′,d)。因此，即使差拍信号以等于激光谐振器的谐振频率的第一频率采样，也可以确定其中生成差拍信号νB(m,d)的频带。因此，即使在这种情况下，测量装置100也可以通过使用差拍信号νB(m,d)的生成频带的确定结果和第二采样数据的频率分析结果来以高速且高精度地测量光学头部件140和待测量物体10之间的距离d。
基于示例性实施例解释本发明。本发明的技术范围不限于上述实施例中解释的范围，并且可以在本发明的范围内进行各种改变和修改。例如，装置的分布和集成的具体实施例不限于上述实施例，其全部或部分可以配置有功能上或物理上分散或集成的任何单元。此外，由它们的任意组合生成的新的示例性实施例被包括在本发明的示例性实施例中。此外，由组合带来的新的示例性实施例的效果也具有原始示例性实施例的效果。
[参考标号的描述]
10 待测量物体
100 测量装置
110 激光装置
112 频移器
114 增益介质
116 WDM耦合器
117 泵浦光源
118 输出耦合器
120 分支部件
130 光环行器
140 光学头部件
150 差拍信号生成部件
152 光学90度混合
154 光电转换部件
160 检测部件
162 第一滤波器部件
164 第二滤波器部件
170 显示部件
202 第一AD转换部件
204 第二AD转换部件
210 时钟信号供应部件
220 频率分析部件
240 光学延迟部件

Claims (10)

1.一种测量装置，包括：
激光装置，其具有激光谐振器，所述激光谐振器包括频移器和增益介质并且输出具有多个模式的调频激光束；
分支部件，其将激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光，并且将调频激光束的剩余部分的至少一部分分支为测量光；
差拍信号生成部件，其通过混合通过将测量光照射到待测量物体而反射的反射光和参考光来生成差拍信号；以及
检测部件，其通过对(i)通过以第一频率采样差拍信号而生成的第一采样数据和(ii)通过以第二频率采样差拍信号而生成的第二采样数据执行频率分析，来检测参考光和测量光的传播距离之间的差，所述第一频率是等于激光谐振器的谐振频率的频率或者是等于或大于所述谐振频率的两倍的频率，所述第二频率是通过将激光谐振器的谐振频率除以正整数而获得的。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述差拍信号生成部件正交检测反射光和参考光。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述检测部件将可使用第一频率检测的第一频带划分为使用第二频率检测的第二频率带宽的多个频带，并且从划分的多个频带当中确定其中生成差拍信号的频带。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述检测部件在不同的采样时间使用第一频率和第二频率采样差拍信号，使得通过对第二采样数据的频率分析而获得的频率分辨率高于通过对第一采样数据的频率分析而获得的频率分辨率。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述检测部件使用具有比第一采样数据更少的数据段的第二采样数据来执行频率分析。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量装置，其中，所述激光装置在所述激光谐振器中包括可变延迟量类型的光学延迟部件。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其中，在对第二采样数据的频率分析中，当一个线谱的线宽超过阈值时，所述检测部件向所述光学延迟部件发送用于调节延迟量的控制信号。
8.一种测量方法，包括以下步骤：
从激光装置输出具有多个模式的调频激光束，所述激光装置具有包括频移器和增益介质的激光谐振器；
将调频激光束的一部分分支为参考光，并且将调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；
通过混合通过将测量光照射到待测量物体而反射的反射光和参考光来生成差拍信号；
通过以等于激光谐振器的谐振频率的频率或以等于或大于激光谐振器的谐振频率的两倍的第一频率采样差拍信号来生成第一采样数据；
通过以通过将激光谐振器的谐振频率除以正整数而获得的第二频率采样差拍信号来生成第二采样数据；以及
基于对第一采样数据和第二采样数据的频率分析结果来检测参考光和测量光的传播距离之间的差。
9.根据权利要求8所述的测量方法，进一步包括：
基于第一采样数据将可由第一频率检测的第一频带划分为由第二频率检测的第二频率带宽的多个频带，以从划分的多个频带当中确定其中生成差拍信号的频带。
10.根据权利要求8或9所述的测量方法，其中，所述激光装置在激光谐振器中包括可变延迟量类型的光学延迟部件，并且所述方法进一步包括：
调节光学延迟部件的延迟量，使得激光谐振器的谐振频率和第二频率具有预定关系。
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