CN113013719A - 激光装置、测量装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

提供了激光装置110、测量装置100和测量方法，其中激光装置110输出具有多种模式的调频激光束且包括：光学腔，其具有用于放大要输入的光的增益介质114，以及用于移位由增益介质放大的光的频率的光学SSB调制器30；以及控制部件50，其控制光学SSB调制器30以移位要输入到光学SSB调制器30的光的频率。

Description

激光装置、测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及激光装置、测量装置和测量方法。
背景技术
已知在腔(谐振器)中设有频移器、并且输出振荡频率随时间线性变化的多个纵模(longitudinal-mode)激光的频移反馈激光器(frequency-shifted feedback laser，FSFL)。此外，已知使用这种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 FSF Laser and ItsApplication”，Takefumi HARA，Optonews，第7卷，第3期，2012年，第25-31页)。另外，作为频移器的光学单边带(single-sideband，SSB)调制器也是已知的(例如，参见专利文献2：日本专利第3867148号的说明书，以及专利文献3：日本专利第4524482号的说明书)。
发明内容
本发明要解决的问题
作为这种FSFL，已知这样的配置，其中在腔中设有使用声光元件的频移器。声光元件是这样的元件，当光被输入到在该元件中传播超声波信号的区域时，输出的衍射光的频率从输入光的频率移位该超声波信号的频率。这样的声光学元件不容易改变(i)要移位的频率和(ii)频率的正负号。因此，使用这种声光元件的FSFL不能容易地改变频移量和频移方向。
本发明着眼于这一点，并且本发明的目的是容易地改变应用到FSFL的频率的移位量和/或方向。
解决问题的手段
本发明的第一方面提供一种激光装置，用于输出具有多种模式的调频激光束，该激光装置包括：光学腔，其具有用于放大要输入的光的增益介质，以及用于移位由增益介质放大的光的频率的光学SSB调制器；以及控制部件，其控制光学SSB调制器以移位要输入到光学SSB调制器的光的频率。
控制部件可以设置光学SSB调制器的频移量。
光学SSB调制器可以具有：衬底、设置在衬底上且具有第一臂波导和第二臂波导的主马赫曾德尔(Mach-Zehnder)波导、设置在第一臂波导上的第一子马赫曾德尔波导以及设置在第二臂波导上的第二子马赫曾德尔波导；以及控制部件可以将预定值的DC电压和RF信号提供给设置在衬底上且对应于主马赫曾德尔波导、第一子马赫曾德尔波导和第二子马赫曾德尔波导的电极，以及可以通过改变RF信号的频率来设置频移量。
控制部件可以设置光学SSB调制器的频移方向。
光学SSB调制器可以具有：衬底、设置在衬底上且具有第一臂波导和第二臂波导的主马赫曾德尔波导、设置在第一臂波导上的第一子马赫曾德尔波导以及设置在第二臂波导上的第二子马赫曾德尔波导；以及控制部件可以通过将预定值的DC电压提供给设置在衬底上且对应于主马赫曾德尔波导、第一子马赫曾德尔波导和第二子马赫曾德尔波导的电极来切换频移方向。
光学SSB调制器可以具有：衬底、设置在衬底上且具有第一臂波导和第二臂波导的主马赫曾德尔波导、设置在第一臂波导上的第一子马赫曾德尔波导以及设置在第二臂波导上的第二子马赫曾德尔波导；以及控制部件可以将要提供给设置在衬底上且对应于主马赫曾德尔波导、第一子马赫曾德尔波导和第二子马赫曾德尔波导的电极的RF信号的相位反转，以及可以切换频移方向。
主马赫曾德尔波导可以是这样的波导，其将输入到光学SSB调制器的光分支到第一臂波导和第二臂波导，并复用分支的光以输出复用的光，第一子马赫曾德尔波导可以是这样的波导，其将输入到第一臂波导的光分支到第一子臂波导和第二子臂波导，并复用分支的光以输出复用的光到第一臂波导，第二子马赫曾德尔波导可以是这样的波导，其将输入到第二臂波导的光分支到第三子臂波导和第四子臂波导，并复用分支的光以输出复用的光到第二臂波导，电极可以具有：设置在主马赫曾德尔波导的第一臂波导和第二臂波导之间的主DC电极、设置在第一子马赫曾德尔波导的第一子臂波导和第二子臂波导之间的第一子DC电极和第一RF电极、设置在第二子马赫曾德尔波导的第三子臂波导和第四子臂波导之间的第二子DC电极和第二RF电极，以及控制部件可以提供预定的DC电压到主DC电极、第一子DC电极和第二子DC电极，且可以提供预定的RF信号到第一RF电极和第二RF电极。
本发明的第二方面提供一种测量装置，其包括：根据第本发明的第一方面的激光装置；分支部件，其将由激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光且将调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；差拍信号生成部件，其通过混合参考光和通过将测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；以及检测部件，其通过对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的差。
本发明的第三方面提供一种测量装置，其包括根据本发明的第一方面的激光装置，其中，在该激光装置中，控制部件设置光学SSB调制器的频移量；分支部件，其将由激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光且将调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；差拍信号生成部件，其通过混合参考光和通过将测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；以及检测部件，其通过对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的差，其中控制部件将光学SSB调制器的频移量设置为第一频率或大于第一频率的第二频率中的一个，然后使检测部件对差拍信号进行频率分析，并且检测部件基于以下各项的频率分析的结果来检测参考光和测量光的传播距离的差：(i)当将光学SSB调制器的频移量设置为第一频率时的阶数确定差拍信号，以及(ii)当将将光学SSB调制器的频移量设置为第二频率时的距离测量差拍信号。
本发明的第四方面提供一种测量装置，其包括根据本发明的第一方面的激光装置，其中，在该激光装置中，控制部件设置光学SSB调制器的频移方向；分支部件，其将由激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光且将调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；差拍信号生成部件，其通过混合参考光和通过将测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；以及检测部件，其通过对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的差，其中控制部件将光学SSB调制器的频移方向切换为正侧或负侧中的一个，然后使检测部件对差拍信号进行频率分析，且检测部件基于以下各项的频率分析结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差：(i)当光学SSB调制器的频移方向是正侧时生成的正侧差拍信号，以及(ii)当光学SSB调制器的频移方向是负侧时生成的负侧差拍信号。
检测部件可以通过以下等式计算参考光和测量光之间的传播距离的差d：
Figure BDA0002838587240000041
使用通过对差拍信号进行频率分析而获得的差拍信号的频率νB(m,d)，其中c是光速，νs是调频激光束的频移量，νc＝1/τRT，τRT是光围绕激光装置(110)的光学腔行进的时间，且m是调频激光束的纵模数的间隔(测量光的纵模数和参考光的纵模数之间的差)。
差拍信号生成部件可以对反射光和参考光进行正交检测。
本发明的第五方面提供一种测量方法，其包括以下步骤：设置光学SSB调制器的频移量和频移方向；从激光装置输出具有多种模式的调频激光束，该激光装置包括具有增益介质的光学腔和该光学SSB调制器；将由激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光并将调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；通过混合参考光和通过将测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成第一差拍信号；以及基于第一差拍信号的频率分析结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差。
可以在生成第一差拍信号之后执行以下步骤：通过切换光学SSB调制器的频移方向来生成第二差拍信号；以及基于第一差拍信号和第二差拍信号的频率分析结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差。
设置可以包括将光学SSB调制器的频移量设置为第一频率；可以在生成第一差拍信号之后执行以下步骤：通过将光学SSB调制器的频移量切换到大于第一频率的第二频率来生成距离测量差拍信号；以及基于第一差拍信号和距离测量差拍信号的频率分析结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差。
设置可以包括在设置中将光学SSB调制器(30)的频移量设置为第一频率；可以在生成第一差拍信号之后执行以下步骤：通过将光学SSB调制器的频移量切换到大于第一频率的第二频率来生成第三差拍信号；通过在将光学SSB调制器的频移量保持在第二频率的同时将频移方向切换到相反的方向来生成第四差拍信号；以及基于第一差拍信号、第三差拍信号和第四差拍信号的频率分析结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差。
发明的效果
根据本发明，具有容易改变应用到FSFL的频率的移位量和/或方向的效果。
附图说明
图1示出了根据本实施例的激光装置110的配置示例。
图2示出了声光频移器(acousto-optic frequency shifter，AOFS)20的配置示例。
图3示出了根据本实施例的光学SSB调制器30和控制部件50的配置示例。
图4示出了从根据本实施例的激光装置110输出的激光束的示例。
图5示出了根据本实施例的测量装置100的配置示例以及待测对象10。
图6示出了以下两者之间的关系的示例：(i)由根据本实施例的测量装置100检测的差拍信号的频率和(ii)光学头部件140与待测对象10之间的距离d。
图7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8示出了由根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160进行的正交检测的概要的示例。
图9示出了根据本实施例的测量装置100的操作流程的第一示例。
图10示出了根据本实施例的测量装置100的(i)参考光和测量光的光学频率以及(ii)要观测的差拍信号的频率的概念。
图11示出了根据本实施例的测量装置100的操作流程的第二示例。
图12示出了根据本实施例的激光装置110的频移量νs与绝对长度测量范围之间的关系的概念。
图13示出了根据本实施例的测量装置100的操作流程的第三示例。
图14示出了根据本实施例的控制部件50的变型示例以及光学SSB调制器。
具体实施方式
[激光装置110的配置示例]
图1示出了根据本实施例的激光装置110的配置示例。图1所示的激光装置110示出了频移反馈激光器(FSFL)的示例，其输出具有多种模式的调频激光束。激光装置110具有光学腔(激光谐振器)并在光学腔内振荡激光束。激光装置110的光学腔包括频移器112、增益介质114、WDM耦合器116、泵浦光源117和输出耦合器118。
频移器112通过近似恒定的频率来移位要输入的光的频率。在此，频移器112的频移量限定为+νs或νs。例如，频移器112移位在腔周围循环的光的频率，以使得对于每一轮，频率增加νs。
增益介质114被提供有泵浦光并放大输入光。增益介质114例如是掺杂有杂质的光纤。杂质例如是稀土元素，诸如铒(erbium)、钕(neodymium)、镱(ytterbium)、铽(terbium)、铥(thulium)等。经由WDM耦合器116从泵浦光源117将泵浦光提供给增益介质114。输出耦合器118将已经在腔中激光振荡的光的一部分输出到外部设备。
也就是说，图1所示的激光装置110包含在腔中具有频移器112的光纤环形激光器。激光装置110优选地在腔中进一步包括隔离器。此外，激光装置110可以具有使得腔中的预定波段(wavelength band)的光通过的光学带通滤波器。
具有声光元件的声光频移器(acousto-optic frequency shifter，AOFS)被称为用于激光装置110的频移器112。接下来将描述AOFS。
[AOFS 20的配置示例]
图2示出了AOFS 20的配置示例。AOFS 20包括光学晶体21、超声换能器22、超声吸收器23和振荡器24。光学晶体21是透射光的晶体，例如TeO2、PbMoO4、重火石玻璃(denseflint glass)等。
超声换能器22设置在光学晶体21的第一端面上，且根据从振荡器24提供的频率ω1的电信号生成超声波。超声换能器22例如将从光学晶体21的第一端面生成的超声波传播到与第一端面相对的第二端面。在图2中，超声波的传播方向的示例由箭头指示。应当注意，在与光学晶体21的超声换能器22的第一端面相对的第二端面上提供了超声吸收器23。
由于超声波的传播，在光学晶体21内部发生了折射率调制。当光入射到这样的光学晶体21时，入射光通过拉曼-纳特衍射(Raman-Nath diffraction)而衍射。由于超声波的传播引起的多普勒效应，衍射光的频率从入射光的频率ω0移位超声波的频率ω1。由于衍射光的频率以此方式基于多普勒效应而移位，要移位的频率的正负号根据超声波的传播方向和入射光的入射方向来确定的。图2示出了示例，其中频移的方向为正，衍射光的频率为ω0+ω1。
例如，为了生成强衍射光，由超声波实现的折射率光栅间隔d、光波的波长λ、光波的入射角θi、衍射角θo和衍射的第h阶必须满足关系d(sinθi-sinθo)＝hλ，其中h＝0,±1,±2等等。当h为正时，频移变为正；当h为负时，频移变为负；当h为零时，不发生频移。通常，λ和θi是固定的，且θo被调整以取出h＝+1或h＝-1的衍射光。
因此，例如，为了在AOFS 20中切换要移位的频率的正负号，需要将超声波的传播方向切换为相反方向，或者需要改变光的入射角。由于不能通过电信号等容易地改变超声波的传播方向和光的入射角，因此在使用这种AOFS 20的常规激光装置110中，难以切换频率的移位方向。
此外，因为超声换能器22具有依赖于材料的腔频率(谐振器频率)，超声换能器22不能生成频率与腔频率有很大偏差的超声波。此外，由光学晶体21衍射的光的衍射角是与超声波的频率相对应的角度。当衍射角根据频移量变化时，发生与输出侧的光学系统的耦合损失。因此，难以自由地改变AOFS 20中要移位的频率的移位量。因此，根据本实施例的激光装置110使得可以通过使用光学单边带(SSB)调制器作为频移器112来容易地切换应用到频率的移位量和/或方向。下面将描述这种光学SSB调制器。
[光学SSB调制器30的配置示例]
图3示出了根据本实施例的光学SSB调制器30和控制部件50的配置示例。光学SSB调制器30包括衬底31、主马赫曾德尔波导32、第一子马赫曾德尔波导33、第二子马赫曾德尔波导34、主DC电极35、第一子DC电极36、第二子DC电极37、第一RF电极38和第二RF电极39。
衬底31是至少部分地由电光晶体形成的衬底，并且包括例如LiNbO3晶体。在这样的衬底31的表面上形成有波导和衬底。主马赫曾德尔波导32将输入到光学SSB调制器30的光分支成两束，并在将分支的光复用之后将其输出。主马赫曾德尔波导32具有使分支的光之一通过的第一臂波导41和使另一分支的光通过的第二臂波导42。
第一臂波导41包括第一子马赫曾德尔波导33。第一子马赫曾德尔波导33将第一臂波导41通过的光分支成两束，并在将分支的光复用之后输出到第一臂波导41。第一子马赫曾德尔波导33具有使输入光通过的第一子臂波导43和第二子臂波导44。
第二臂波导42包括第二子马赫曾德尔波导34。第二子马赫曾德尔波导34将第二臂波导42通过的光分支成两束，并在将分支的光复用之后输出到第二臂波导42。第二子马赫曾德尔波导34具有使输入光通过的第三子臂波导45和第四子臂波导46。
作为示例，主DC电极35设置在距主马赫曾德尔波导32的第一臂波导41和第二臂波导42中的每一个大约相同距离的位置处。DC电压从控制部件50提供给主DC电极35。
作为示例，第一子DC电极36和第一RF电极38设置在距第一子马赫曾德尔波导33的第一子臂波导43和第二子臂波导44中的每一个大约相同距离的位置处。第一子DC电极36和第一RF电极38可以是分开的电极或可以是一个公共的电极。
类似地，作为示例，第二子DC电极37和第二RF电极39设置在距第二子马赫曾德尔波导34的第三子臂波导45和第四子臂波导46中的每一个大约相同距离的位置处。第二子DC电极37和第二RF电极39可以是分开的电极或可以是一个公共的电极。
DC电压从控制部件50提供给第一子DC电极36和第二子DC电极37。RF信号从控制部件50提供给第一RF电极38和第二RF电极39中的每一个。例如，RF信号是几GHz到几十GHz的高频信号。
因此，当将电压施加到设置在使输入光通过的波导附近的电极时，会产生改变波导的折射率的电光效应(普克尔斯效应(Pockels effect))。通过其中已发生电光效应的波导的光的振幅强度水平和相位经历对应于施加的电压的调制、偏移等。由于由这种电光效应引起的折射率变化对应于电场的施加方向，例如，只需改变施加到电极的电压的正负号，就可以切换相位的变化方向。
控制部件50通过将DC电压和RF信号提供给光学SSB调制器30的多个电极来调节通过波导的光的相位。控制部件50具有DC电压生成部件52和RF信号生成部件54。DC电压生成部件52生成DC电压并将DC电压提供给主DC电极35、第一子DC电极36和第二子DC电极37。RF信号生成部件54生成RF信号并将RF信号提供给第一RF电极38和第二RF电极39。
控制部件50控制DC电压生成部件52和RF信号生成部件54以将DC电压和RF信号提供给光学SSB调制器30，并调节频移方向和频移量。例如，控制部件50将输入到光学SSB调制器30的光的频率移位RF信号的频率。控制部件50可以通过改变RF信号的频率来进一步设置光学SSB调制器30的频移量。
另外，控制部件50通过将预定值的DC电压提供给主DC电极35、第一子DC电极36和第二子DC电极37来切换频移方向，这些电极设置在衬底31上且对应于主马赫曾德尔波导32、第一子马赫曾德尔波导33和第二子马赫曾德尔波导34。由于在已知的专利文献2和3中描述了光学SSB调制器30的频移和移位方向的这种切换，因此在此省略其详细描述。
如上所述，根据本实施例的激光装置110使用图3所示的光学SSB调制器30作为频移器112。控制部件50设置提供给光学SSB调制器30的RF信号的频率，从而使得能够设置光学SSB调制器30的频移量。另外，控制部件50切换提供给光学SSB调制器30的电压，从而使得能够将光学SSB调制器30的频移方向切换到正侧或负侧中的一个。通过这样做，可以容易地为激光装置110的频率的移位设置：(i)移位量和(ii)正或负方向。下面将描述从这样的激光装置110输出的激光束的频率特性。
图4示出了从根据本实施例的激光装置110输出的激光束的示例。图4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。在该光谱中，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进行布置。假设τRT(＝1/νc)表示光围绕腔行进的时间，多个纵模以1/τRT(＝νc)的间隔来布置，如以下等式所示。应注意，ν0是在时间t0处光谱的初始频率。
[等式1]
Figure BDA0002838587240000091
图4在右侧示出了激光装置110输出的多个纵模的随着时间推移的频率变化。在图4的右侧，横轴表示时间，纵轴表示频率。即，图4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，并且在左侧示出了激光束在时间t0处的瞬时频率。
在激光装置110中，作为示例，频移器112的移位量设置为+νs，每当腔中的光围绕谐振器行进时，频移器112将围绕腔行进的光的频率增加νs。即，由于每一模式的频率每经过τRT都增加νs，所以频率的变化率dν/dt(即，调频率(chirp rate))变得近似等于νs/τRT。因此，由等式1表示的多个纵模随着时间t的推移而改变为如以下等式所示。
[等式2]
Figure BDA0002838587240000101
应当注意，在等式2中，频率的移位方式为正向方向(正方向)。在图4的右侧，示出了在时间t0和时间t1之间的时间段内，当频率的移位方向为正方向时，激光束的频率随时间变化的示例。可替代地，如果频率的移位方向是负向方向(负方向)，则作为等式2的第二项的νs·t/τRT中的νs的符号为负。在图4的右侧，示出了在时间t2和时间t3之间的时间段内，当频率的移位方向为负方向时，激光束的频率随时间变化的示例。
如上所述，使用光学SSB调制器30作为频移器112的激光装置110可以在正方向或负方向中的一个上切换频率的移位方向。此外，激光装置110可以容易地改变频移量。因此，光学SSB调制器30可以在不改变输出角度的情况下执行频移量和频移方向的改变。即，激光装置110可以在几乎不改变输出功率的情况下容易地改变频移量和频移方向。当将这种激光装置110用于光学测距仪等中时，可以容易地实现距离测量的精度改善、功能改善等。接下来，描述包括根据本实施例的激光装置110的光学测距仪。
[测量装置100的配置示例]
图5示出了根据本实施例的测量装置100的配置示例以及待测对象10。测量装置100光学地测量测量装置100与待测对象10之间的距离。此外，测量装置100可以通过扫描照射到待测对象10上的激光束的位置来测量待测对象10的三维几何形状。测量装置100包括控制部件50、激光装置110、分支部件120、光学环行器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。
控制部件50提供用于控制激光装置110的DC电压和RF信号。激光装置110是具有光学SSB调制器30的频移反馈激光器。因为已经描述了控制部件50和激光装置110，所以这里将不对其进行描述。
分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束的一部分为分支为参考光并将其剩余部分中的至少一些分支为测量光。例如，分支部件120是光纤耦合器。在图5的示例中，分支部件120将测量光提供给光学环行器130，并将参考光提供给差拍信号生成部件150。
光学环行器130具有多个输入/输出端口。例如，光学环行器130将从一个端口输入的光输出至下一端口，将从下一端口输入的光输出到再下一端口。图5示出了光学环行器130具有三个输入/输出端口的示例。在这种情况下，光学环行器130将从分支部件120提供的测量光输出到光学头部件140。另外，光学环行器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将从光学环行器130输入的光朝向待测对象10照射。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首先使用准直透镜将经由光纤从光学环行器130输入的光调节为光束形状，然后输出光。
此外，光学头部件140接收照射到待测对象10上的测量光的反射光。光学头部件140利用准直透镜将接收到的反射光聚焦到光纤上，并将其提供给光学环行器130。在这种情况下，光学头部件140可以包括一个通用的准直透镜，并且准直透镜可以用测量光照射待测对象10，并且可以接收来自待测对象10的反射光。光学头部件140与待测对象10之间的距离定义为d。
可替代地，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将经由光纤从光学环行器130输入的光聚焦在待测对象10的表面上。光学头部件140接收在待测对象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到的反射光聚焦到光纤上，并将光提供给光学环行器130。同样在这种情况下，光学头部件140可以包括一个通用的聚光透镜，并且该聚光透镜可以用测量光照射待测对象10并接收来自待测对象10的反射光。
差拍信号生成部件150从光学环行器130接收反射光，该反射光是照射到待测对象10上并从其反射的测量光。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将反射光和参考光混合以生成差拍信号。差拍信号生成部件150例如包括光电转换元件，其将差拍信号转换成电信号，并输出该电信号。
在此，由于反射光在从光学头部件140到待测对象10之间的距离上来回行进，因此与参考光相比，出现与至少距离2d相对应的传播距离的差。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地变化，因此在参考光的振荡频率和反射光的振荡频率之间，出现取决于与传播距离的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的差。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,并显示检测结果。另外，显示部件170可以将分析结果存储在存储单元等中。
上述的测量装置100可以通过分析照射到待测对象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与待测对象10之间的距离。即，测量装置100可以形成非接触且非破坏性的光学测距仪。
[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与待测对象10之间的距离d。假设参考光和反射光之间的光程差仅是距离2d，即，往复的距离d，并且与距离2d对应的传播延迟为Δt。即，当测量光在时间t处被反射并从待测对象10返回时，返回的反射光的频率近似匹配于比时间t早了时间Δt的过去频率，因此可以是由以下等式表示。
[等式3]
Figure BDA0002838587240000121
另一方面，可以以与等式2类似的方式，通过以下等式来表示时间t处的参考光，其中，参考光是νq′(t)。
[等式4]
Figure BDA0002838587240000122
因为差拍信号生成部件150将反射光和参考光叠加，所以在等式3表示的多个纵模与等式4表示的多个纵模之间生成多个差拍信号。假设这样的差拍信号的频率为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 BDA0002838587240000131
根据等式5，距离d由以下等式表示，其中1/τRT＝νc。
[等式6]
Figure BDA0002838587240000132
根据等式6，可以理解，可以通过确定纵模数的间隔m来根据差拍信号的频率观测结果计算距离d。应当注意，当激光装置110的频移量νs改变时，可以通过检测差拍信号的变化来确定被称为差拍信号的阶数m的间隔m。因为这样的确定阶数m的方法是已知的，如专利文献1等中所记载的那样，所以省略其详细描述。
由于观测到的差拍信号始终是正频率，因此在计算中，在负频率侧生成的差拍信号被折回到正侧上并被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6示出了由根据本实施例的测量装置100检测到的差拍信号的频率与光学头部件140和待测对象10之间的距离d之间的关系的示例。在图6中，横轴表示距离d，纵轴表示差拍信号的频率νB(m,d)。图6中的实线所示的多条直线是示出对于阶数m的多个值中的每一个，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6所示，生成对应于m的值的多个差拍信号。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进行布置，因此具有相等的m值的多个差拍信号被叠加在频率轴上近似相同的频率上。例如，当观测频率0和νc之间的频带时，多个差拍信号被叠加在近似相同的频率上，并且被观测为单线谱。
另外，在小于0的负范围内的差拍信号的频率νB(m,d)的绝对值作为图像信号被进一步观测。即，图6的纵轴小于0的区域的曲线图以频率0为边界被折回。图6通过多条虚线示出了折叠后的图像信号。由于只有折叠后的图像信号的正负被反转，所以图像信号以与折叠前的频率的绝对值相同的频率叠加在观测到的频率轴上。例如，当观测频率在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，生成两个线谱，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值与差拍信号νB(m,d)的m值不同。在此，作为示例，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。
[差拍信号生成部件150和检测部件160的配置示例]
图7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对反射光和参考光进行正交检测。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利用光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利用光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。在此，光学90度混合器152在两个分支的参考光之间生成90度的相位差之后生成差拍信号。例如，光学90度混合器152将分支的反射光与分支的参考光之一进行复用，并且将分支的反射光与由另一分支的参考光穿过π/2波长板而生成的光进行复用。
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为电信号。光电转换部件154可以各自是例如光电二极管等。光电转换部件154例如各自是平衡光电二极管。在图7中，假设光电转换部件154之一生成第一差拍信号，而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通过将相位相差90度的两个参考光和两个反射光分别进行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I信号并且使用第二差拍信号作为Q信号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、时钟信号提供部件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。在此，将用户等想要分析的频带设置为0至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将通过减少具有比频率νc高的频率的信号分量而获得的第一差拍信号提供给第一AD转换部件202。此外，第二滤波器部件164将通过减少具有高于频率νc的频率的信号分量而获得的第二差拍信号提供给第二AD转换部件204。
第一AD转换部件202和第二AD转换部件204将输入模拟信号转换为数字信号。例如，第一AD转换部件202将第一差拍信号转换为数字信号，第二AD转换部件204将第二差拍信号转换为数字信号。时钟信号提供部件210提供时钟信号给第一AD转换部件202和第二AD转换部件204。通过这样做，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时钟频率近似相同的采样率将模拟信号转换为数字信号。
这里，当观测频带为从0到νc时，差拍信号的频率至多为光学腔的腔频率νc。因此，时钟信号提供部件210将频率大于或等于光学腔的腔频率νc的两倍的时钟信号提供给第一AD转换部件202和第二AD转换部件204，从而可以观测到差拍信号。在此，腔频率νc的两倍或两倍以上的频率应为采样频率。以此方式，检测部件160对通过在采样频率下对差拍信号进行采样而生成的第一差拍信号和第二差拍信号(作为第一采样数据)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为频率数据。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里叶变换(digital Fouriertransform，DFT)。频率分析部件220将转换为频率数据的第一差拍信号作为实部相加，且将转换为频率数据的第二差拍信号作为虚部相加，并消除图像信号。检测部件160的上述操作例如由控制部件50控制。
这种控制部件50和检测部件160的至少一部分包括例如集成电路等。在这种情况下，在将差拍信号转换成数字信号之后，检测部件160的至少一部分包括集成电路等。例如，控制部件50和检测部件160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)。
当控制部件50和检测部件160的至少一部分由计算机等形成时，控制部件50和检测部件160包括存储单元。存储单元例如包括只读存储器(ROM)，其存储计算机等的基本输入输出系统(BIOS)等以运行控制部件50和频率分析部件220；以及用作工作区的随机存取存储器(RAM)。此外，存储单元可以包括操作系统(OS)和各种信息，包括应用程序和/或在执行应用程序时要参考的数据库。即，存储单元可以包括诸如硬盘驱动器(HDD)和/或固态驱动器(SSD)的大容量存储设备。
计算机等包括诸如CPU等的处理器，并且通过执行存储在存储单元中的程序而用作控制部件50和频率分析部件220。计算机等可以包括图像处理单元(GPU)等。
[正交检测概述]
图8出了由根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160进行的正交检测的概要的示例。在图8中，横轴表示差拍信号的频率，纵轴表示信号强度。图8示出了I信号和Q信号之一的频谱。I信号和Q信号两者的频谱具有近似相同的频谱形状，如图8的上部所示。在I信号和Q信号中，例如，在频率0和vc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I信号和Q信号中，图像信号的差拍信号-νB(m,d)和原始差拍信号-νB(m+1,d)存在于负侧的频率0和-vc之间的频带中。
这里，由于I信号和Q信号是由差拍信号生成部件150进行正交检测的信号分量，因此它们即使频谱形状相同，也包含不同的相位信息。例如，在正侧的频率0和vc之间的频带中，I信号的图像信号νB(m+1,d)和Q信号的图像信号νB(m+1,d)的相位相互反转。类似地，在负侧的频率0和-vc之间的频带中，I信号的差拍信号νB(m,d)和Q信号的差拍信号-νB(m,d)的相位相互反转。
因此，如图8的下部所示，当频率分析部件220使用I信号和Q信号计算I+jQ时，在频率0和vc之间的频带中，频率为νB(m,d)的差拍信号彼此增强，而频率为νB(m+1,d)的图像信号彼此消除。类似地，在0和-vc之间的频带中，频率为-νB(m+1,d)的两个差拍信号彼此增强，且频率为-νB(m,d)的两个差拍信号彼此消除。
根据频率分析部件220的频率分析结果，对于在频率0和vc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，因此可以测量光学头部件140与待测对象10之间的距离d。
如上所述，根据本实施例的测量装置100，可以以非破坏性且非接触的方式测量测量装置100与待测对象10之间的距离d。这种以非接触方式测量到待测对象10的距离d的测量装置100通常独立于待测对象10放置。因此，当测量装置100或待测对象10中的至少一个振荡或移动时，在测量装置100与待测对象10之间产生相对速度。这样的相对速度可能作为误差影响测量装置100的测量结果。
例如，当在平行于测量装置100的测量光的光轴方向的方向上的相对速度的分量具有有限值时，由于多普勒效应，在待测对象10的反射光中发生了与相对速度的分量相对应的频移。反射光的频移引起测量装置100的测量结果的误差，这是因为反射光的频移使由差拍信号生成部件150生成的差拍信号的频率波动。
因此，为了减少由于多普勒效应引起的这种误差，根据本实施例的测量装置100改变激光装置110的频移方向，并且在改变移位方向之前和之后对差拍信号执行频率分析。接下来，将描述测量装置100的测量操作。
[测量装置100的操作流程的第一示例]
图9示出了根据本实施例的测量装置100的操作流程的第一示例。测量装置100通过执行图9的S1010至S1060的操作来测量光学头部件140与待测对象10之间的距离d。
首先，在S1010中，控制部件50将光学SSB调制器30的频移方向设置为正侧或负侧之一。例如，控制部件50将光学SSB调制器30的频移方向设置为正侧。此外，控制部件50还可以设置光学SSB调制器30的频移量νs。
接下来，在S1020中，控制部件50控制具有光学腔中的增益介质114和光学SSB调制器30的激光装置110以输出具有多种模式的调频激光束。然后，分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束的一部分分支为参考光并将其剩余部分中的至少一些分支为测量光。光学头部件140将测量光照射到待测对象10。然后，光学头部件140接收从待测对象10反射的反射光。差拍信号生成部件150将反射光和参考光混合以生成正侧差拍信号。
接下来，在S1030中，控制部件50控制检测部件160以使检测部件160对正侧差拍信号进行频率分析。检测部件160例如以大于或等于光学腔的腔频率的两倍的采样频率对正侧差拍信号进行采样以生成采样数据。频率分析部件220通过对采样数据的I信号和Q信号进行频率转换来计算I+jQ。频率分析部件220计算正侧频率F1，正侧差拍信号是在该频率F1下生成的。
接下来，在S1040中，控制部件50将光学SSB调制器30的频移方向切换到相反的方向。例如，控制部件50将光学SSB调制器30的频移方向从正侧切换到负侧。分支部件120将已经切换频移方向的调频激光束的一部分分支为参考光且将其剩余部分中的至少一些分支为测量光。光学头部件140将测量光照射到待测对象10。光学头部件140接收从待测对象10反射的反射光。差拍信号生成部件150将反射光和参考光混合以生成负侧差拍信号。
接下来，在S1050中，控制部件50切换光学SSB调制器30的频移方向，然后控制检测部件160来对负侧差拍信号进行频率分析。例如，检测部件160以与正侧差拍信号类似的方式计算负侧频率F2，负侧差拍信号是在该频率F2下生成的。
接下来，在S1060中，频率分析部件220基于正侧差拍信号和负侧差拍信号的频率分析的结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差，即，距离d。在此，如果发生与测量装置100和待测对象10之间的相对速度相对应的多普勒效应，则正侧差拍信号和负侧差拍信号的频率分析结果将包含误差。
例如，假设由于多普勒效应引起的频率误差为ΔF，则正侧差拍信号的正侧频率F1可以表示为F0-ΔF。在此，F0是未发生多普勒效应时观测到的正侧差拍信号的频率。此外，因为光学SSB调制器30的频移方向被切换到相反的一侧，所以由于多普勒效应而引起的误差的正负号被反转，因此负侧差拍信号的负侧频率F2可以表示为F0+ΔF。将参照图10描述这样的正侧频率F1和负侧频率F2的概念。
图10示出了根据本实施例的测量装置100的(i)参考光和测量光的光学频率以及(ii)观测到的差拍信号的频率的概念。在图10的上部，横轴表示时间，纵轴表示参考光和测量光的光学频率。在图10的下部，横轴表示时间，纵轴表示差拍信号的频率。图10示出了其中控制部件50以恒定周期T重复切换光学SSB调制器30的频移方向的示例。
例如，从时间tn到时间tn+1的时间段内到达差拍信号生成部件150的参考光是在光学SSB调制器30的频移方向被设置为正侧的时间段期间从激光装置110输出的激光束的一部分。此外，在光学SSB调制器30的频移方向被设置为正侧的时间段期间被分支的测量光，在从时间tm延迟一定量时间到时间tm+1的时间段期间到达差拍信号生成部件150。
如果没有来自多普勒效应的影响，则测量光相对于参考光的延迟时间对应于到待测对象10的距离d，并且由差拍信号生成部件150生成的差拍信号的频率为F0。图10示出了以下示例，其中由于多普勒效应而产生误差ΔF，并且在从时间tm至时间tn+1的时间段期间由差拍信号生成部件150生成的正侧差拍信号的正侧频率F1表示为F0-ΔF。
类似地，从时间tn+1到时间tn+2的时间段内到达差拍信号生成部件150的参考光是在光学SSB调制器30的频移方向被设置为负侧的时间段期间从激光装置110输出的激光束的一部分。此外，在光学SSB调制器30的频移方向被设置为负侧的时间段期间被分支的测量光，在从时间tm+1延迟一定量时间到时间tm+2的时间段期间到达差拍信号生成部件150。
这里，由于多普勒效应引起的误差使测量光的频率移位，在图10的上部，测量光的波形在垂直方向上移位。在这种情况下，测量光相对于参考光的延迟时间根据移位方向而变化。例如，在从时间tm+1到时间tn+2的时间段期间由差拍信号生成部件150生成的负侧差拍信号的负侧频率F2为F0+ΔF。
因此，作为示例，如果频率分析部件220理想地计算正侧频率F1和负侧频率F2的平均值，则可以获得没有多普勒效应影响的情况下生成的差拍信号的频率F0的值。通过这样做，频率分析部件220可以使用等式6计算光学头部件140与待测对象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，检测部件160可以基于以下各项的频率分析的结果来在在多普勒效应的影响减小的情况下检测参考光和测量光之间的传播距离的差：(i)当将光学SSB调制器30的频移方向设置为正侧时生成的正侧差拍信号，以及(ii)当将光学SSB调制器30的频移方向设置为负侧时生成的负侧差拍信号。应当注意，测量装置100可以通过改变调频激光束照射到待测对象10上的位置并重复图9所示的操作流程来测量待测对象10的几何形状。
如上所述的根据本实施例的测量装置100可以通过使用具有光学SSB调制器30的激光装置110来减小多普勒效应的影响并且准确地测量到待测对象10的距离d。这里，根据等式6，νs和νc的值越大，差拍信号的信号频率νB(m,d)对距离d的测量准确度的影响越小。可以通过缩短激光装置110的腔长度来增加νc的值，但是由于存在对于激光振荡所需的增益介质114的长度、处理光纤所需的长度等的限制，不能容易地增加νc的值。
当将AOFS 20用作频移器112时，光学晶体21的频移量的最大值约为1.5GHz，而就效率等而言，移位量通常约为数百MHz。另外，由于超声换能器22具有腔频率，因此对于使频移量可变和使用它存在限制。
与之相比，由于在根据本实施例的测量装置100中使用光学SSB调制器30，可以将频移量νs设置为比使用AOFS 20的情况大几十倍。因此，测量装置100可以将差拍频率对距离d的变化的灵敏度提高到以前的几十倍，并且可以高准确度地测量到待测对象10的距离d。
另外，例如，由于根据本实施例的测量装置100可以改变FSFL的频移量，因此可以容易地确定差拍信号的阶数m。如等式6中所描述，可以通过检测改变激光装置110的频移量νs时的差拍信号的变化来确定阶数m。
这样的确定阶数m的方法，如专利文献1等所描述，已知为以下方法：检测每个不同的频移量的差拍信号，联合设立(simultaneously formulate)等式5的关系式，并且计算阶数m作为联立等式的解。测量装置100可以通过改变FSFL的频移量来使用这种方法来确定阶数m。
应当注意，当阶数m根据频移量的变化而改变时，要联合建立的等式的解的数量增加，并且相应地，要联合建立的等式的数量必须增加。阶数m的值可以用以下等式表示为距离d除以绝对长度测量范围的商。在此，绝对长度测量范围是在不改变阶数m的值的情况下可以连续测量距离d的范围，并且是在移位频率νs的倒数的时间内测量光来回行进的距离(即，c/2νs)。此外，floor()是任何小数部分的截断。
[等式7]
Figure BDA0002838587240000201
在此，通过相对于νs对等式7求微分，获得以下等式。
[等式8]
Figure BDA0002838587240000202
根据等式8，可以看出，距离d的值越大，阶数m的值相对于频移量νs的变化的变化量就越大。这意味着从激光装置110到待测对象10的距离d越远，阶数m由于频移而改变得越多。此外，当以上述方式增加频移量νs时，一方面，距离d的测量准确度提高了，但另一方面，绝对长度测量范围变窄了且阶数m易于改变。因此，可能存在某些情况下，由于m的值变化更大且联立等式变复杂，因此难以使用测量装置100准确地测量在更远距离处的待测对象10。
因此，根据本实施例的测量装置100通过使得用于确定阶数m的频移量与用于测量距离d的频移量不同，从而能够以更高的灵敏度在更大的距离处测量距离d。接下来，将描述这样的测量装置100的测量操作。
[测量装置100的操作流程的第二示例]
图11示出了根据本实施例的测量装置100的操作流程的第二示例。在第二示例的操作流程中，省略了在第一示例的操作流程中已经描述的一些操作的描述。
首先，在S1110中，控制部件50将光学SSB调制器30的频移量νs设置为第一频率νs1。第一频率νs1是用于确定阶数m的频移量，且小于用于测量距离d的频移量。第一频率νs1优选是低频率，用于将用于测量距离d的绝对长度测量范围扩展到大约几倍或更多倍的范围。另外，更优选的是，第一频率νs1是对应于距离d的频率，如将在下文描述的。第一频率νs1例如是大约几十MHz至几GHz的频率。控制部件50还可以进一步设置光学SSB调制器30的频移方向。
接下来，在S1120中，控制部件50控制具有光学腔中的增益介质114和光学SSB调制器30的激光装置110以输出具有多种模式的调频激光束。分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束的一部分分支为参考光并将其剩余部分中的至少一些分支为测量光。光学头部件140将测量光照射到待测对象10。然后，光学头部件140接收从待测对象10反射的反射光。差拍信号生成部件150将反射光和参考光混合以生成阶数确定差拍信号。
接下来，在S1130中，控制部件50控制检测部件160以使检测部件160对阶数确定差拍信号进行频率分析。频率分析部件220计算用于阶数确定的频率F3，阶数确定差拍信号是在该频率F3下生成的。
接下来，在S1140中，频率分析部件220使用用于阶数确定的频率F3和等式5确定阶数m。频率分析部件220在用于确定距离d的绝对长度测量范围中确定阶数m。参照图12描述频移量νs和绝对长度测量范围之间的关系。
图12示出了根据本实施例的激光装置110的频移量νs与绝对长度测量范围之间的关系的概念。图12的横轴表示到待测对象10的距离d，纵轴表示差拍信号的频率。图12中的实线所示的多条直线是示出对于多个m中的每一个，差拍信号的频率νB(m,d)相对于距离d的关系(如图6所描述)的曲线图。即，由实线所示的多条直线表示在由控制部件50为激光装置110设置用于测量距离d的频移量νs2时的距离d和频率νB(m,d)之间的关系。在这种情况下，频移量νs2设置为第二频率。绝对长度测量范围被计算为c/2νs＝c/2νs2。
由图12的虚线表示的直线示出了当将频移量νs设置为第一频率νs1时的距离d和频率νB(m,d)之间的关系。图12示出了第一频率νs1是νs2/5的示例。可以看到，绝对长度测量范围已经扩展到5c/2νs2。因此，当通过将频移量νs设置为第一频率νs1来确定从0到νc的范围内的频率的阶数确定差拍信号时，可以在阶数m不变的情况下检测对应于距离d的用于阶数确定的频率F3。
作为示例，假设检测部件160检测阶数确定差拍信号和对其进行频率分析以计算频率F3。在这种情况下，由于阶数确定差拍信号的频率在绝对长度测量范围的范围内，可以计算对应于频率F3的距离d3。然后，基于计算出的距离d3，可以确定当将频移量设置为第二频率νs时的阶数m。例如，从由图12中的实线所示的多条直线可以看出，在其中可以测量距离d3的绝对长度测量范围是阶数m＝3，且其他阶数的直线表示的差拍信号是副本。如上所述，可以通过将第一频率νs1设置为较低的频率来扩展绝对长度测量范围，以确定测量距离d时的阶数m。第一频率νs1优选地设置为这样的频率，其使得对应于到待测对象10的距离d的频率被包含在扩展的绝对长度测量范围中。
接下来，在S1150中，控制部件50将光学SSB调制器30的频移量νs切换到大于第一频率νs1的第二频率νs2。如上所述，第二频率νs2是用于测量距离d的频移量。分支部件120将已经切换频移量的调频激光束的一部分分支为参考光且将其剩余部分中的至少一些分支为测量光。光学头部件140将测量光照射到待测对象10。光学头部件140接收从待测对象10反射的反射光。差拍信号生成部件150混合反射光和参考光以生成距离测量差拍信号。
接下来，在S1160中，控制部件50切换光学SSB调制器30的频移量，然后控制检测部件160来对距离测量差拍信号进行频率分析。频率分析部件220计算用于距离测量的频率F4，距离测量差拍信号是在该频率F4下生成的。
接下来，在S1170中，频率分析部件220基于阶数确定差拍信号和距离测量差拍信号的频率分析的结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差。例如，频率分析部件220通过将阶数m和用于距离确定的频率F4代入等式6来计算距离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可以通过减小频移量以使得其具有足以至少确定阶数m的分辨率来容易地确定阶数m。然后，测量装置100在通过将频移量切换到更高的频率来提高测量准确度之后测量距离d。这使得测量装置100能够以更大的灵敏度在更大距离处测量距离d。
在图11的操作流程中，已经描述了其中测量装置100在检测阶数确定差拍信号之后检测距离测量差拍信号的示例，但是本实施例不限于此。测量装置100可以在检测阶数确定差拍信号之前检测距离测量差拍信号。以此方式，控制部件50可以将光学SSB调制器30的频移量设置为第一频率νs1或大于第一频率νs1的第二频率νs2中的一个，然后使检测部件160对差拍信号进行频率分析。检测部件160基于以下各项的频率分析的结果来检测参考光和测量光的传播距离的差：(i)当将光学SSB调制器30的频移量设置为第一频率νs1时生成的阶数确定差拍信号，以及(ii)当将光学SSB调制器30的频移量设置为第二频率νs2时生成的距离测量差拍信号。
在上述根据本实施例的测量装置100中，已经分别描述了减小多普勒效应的影响的操作和确定阶数m的操作，但是本实施例不限于此。测量装置100可以确定阶数m，同时减小多普勒效应的影响。接下来，将描述这种测量装置100的操作。
[测量装置100的操作流程的第三示例]
图13示出了根据本实施例的测量装置100的操作流程的第三示例。在第三示例的操作流程中，省略了在第一示例的操作流程和第二示例的操作流程中已经描述的一些操作的描述。
首先，在S1210中，控制部件50将光学SSB调制器30的频移量设置为第一频率νs1，并将频移方向设置为正侧或负侧中的一个。例如，控制部件50将第一频率设置为νs/5，并将频移方向设置为正。
接下来，在S1220中，控制部件50控制激光装置110并输出具有多种模式的调频激光束。分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束的一部分为分支为参考光并将其剩余部分中的至少一些分支为测量光。光学头部件140将测量光照射到待测对象10。然后，光学头部件140接收从待测对象10反射的反射光。差拍信号生成部件150将反射光和参考光混合以生成阶数确定差拍信号。
接下来，在S1230中，控制部件50控制检测部件160以使检测部件160对阶数确定差拍信号进行频率分析。频率分析部件220计算用于阶数确定的频率F0，阶数确定差拍信号是在该频率F0下生成的。
接下来，在S1240中，频率分析部件220使用用于阶数确定的频率F0和等式5确定阶数m。在此阶段，由于多普勒效应的影响，基于阶数确定差拍信号计算的频率F0可能包含误差。但是，由于多普勒效应的影响而产生的误差是很小的误差，其程度对阶数m的确定几乎没有影响，所以在这里不是问题。
接下来，在S1250中，控制部件50将光学SSB调制器30的频移量切换到大于第一频率的第二频率以生成正侧差拍信号。在此，控制部件50不改变光学SSB调制器30的频移方向。
接下来，在S1260中，控制部件50控制检测部件160以对正侧差拍信号进行频率分析。频率分析部件220通过使用频率分析结果来计算正侧频率F1，正侧差拍信号是在该频率F1下生成的。同样在此阶段，基于正侧差拍信号计算的正侧频率F1可能包括由于多普勒效应的影响引起的误差。
接下来，在S1270中，控制部件50将频移方向切换到相反的反向，同时光学SSB调制器30的频移量保持在第二频率，以生成负侧差拍信号。例如，控制部件50将光学SSB调制器30的频移方向从正侧切换到负侧。分支部件120将已经切换频移方向的调频激光束的一部分分支为参考光且其剩余部分中的至少一些分支为测量光。光学头部件140将测量光照射到待测对象10。光学头部件140接收从待测对象10反射的反射光。差拍信号生成部件150将反射光和参考光混合以生成负侧差拍信号。
接下来，在S1280中，控制部件50控制检测部件160以对负侧差拍信号进行频率分析。频率分析部件220使用频率分析结果计算负侧频率F2，负侧差拍信号是在该频率F2下生成的。同样在此阶段，基于负侧差拍信号计算的负侧频率F2可能包括由于多普勒效应的影响引起的误差。在这种情况下，与包含在正侧频率F1中的误差相比，包含在负侧频率F2中的误差具有近似相同的值，符号是反转的。
接下来，在S1290中，频率分析部件220基于以下各项的频率分析的结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差：(i)阶数确定差拍信号，(ii)正侧差拍信号，以及(iii)负侧差拍信号。频率分析部件220例如计算正频率F1和负频率F2的平均值。通过这样做，频率分析部件220通过将平均值和阶数m代入等式6来计算光学头部件140和待测对象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，由于根据本实施例的测量装置100设置有可以容易地改变频移量和频移方向的激光装置110，测量装置100可以通过确定阶数m来高度准确地测量到待测对象10的距离d，同时减少多普勒效应的影响。
[控制部件50的变型示例]
在上述根据本实施例的测量装置100中，已经描述了这样的示例，其中激光装置110具有光学SSB调制器30，且光学SSB调制器30的频移方向可以通过切换提供给光学SSB调制器30的电压来切换，但本实施例不限于此。例如，测量装置100能够通过反转驱动光学SSB调制器30的RF信号的相位来切换光学SSB调制器30的频移方向。接下来，将描述这样的测量装置100的光学SSB调制器30和控制部件50。
图14示出了根据本实施例的控制部件50的变型示例以及光学SSB调制器30。在图14所示的光学SSB调制器30的控制部件50中，对于与根据图3所示的本实施例的光学SSB调制器30和控制部件50的操作近似相同的操作，标注相同的附图标记，并省略其描述。变型示例的控制部件50进一步包括相位差生成部件310和切换部件320。
在变型示例的控制部件50中，RF信号生成部件54生成多个RF信号。例如，RF信号生成部件54生成两个RF信号，其相位和频率近似匹配。例如，RF信号生成部件54可以将一个RF信号分支为两部分。RF信号生成部件54将多个生成的RF信号提供给相位差生成部件310。
相位差生成部件310使得多个输入RF信号的相位不同并输出多个RF信号，每两个输出的RF信号具有预定的相位差。例如，相位差生成部件310将同相位的两个输入RF信号输出为三个RF信号，各个RF信号具有大约90度的相位差。例如，当从相位差生成部件310输出的三个RF信号中的第一RF信号的相位为0度时，第二RF信号的相位相对于第一RF信号相差大约90度，并且第三RF信号的相位相对于第一RF信号相差大约180度。
相位差生成部件310例如使两个输入RF信号之一的相位相差90度。此外，相位差生成部件310生成RF信号，该RF信号的相位相对于两个输入RF信号中的另一个RF信号相差180度。换句话说，相位差生成部件310生成三个RF信号，包括一个RF信号(例如，上述第二RF信号)和两个RF信号(例如，上述第一和第三RF信号)，该两个RF信号的相位相对于该一个RF信号相差±90度。
可替代地，RF信号生成部件54可以生成相位和频率彼此近似匹配的三个RF信号，并将它们提供给相位差生成部件310。在这种情况下，相位差生成部件310可以使三个输入RF信号之一的相位相差90度，并且可以使其余两个RF信号之一的相位相差180度。
相位差生成部件310将三个RF信号之中的一个RF信号提供给第一RF电极38或第二RF电极39，该一个RF信号与其他两个RF信号中的每一个的的相位差为90度。然后，相位差生成部件310将剩余的两个RF信号提供给切换部件320。图14示出了这样的示例，其中相位差生成部件310将第二RF信号提供给第一RF电极38，并且将第一RF信号和第三RF信号提供给切换部件320。
切换部件320将两个输入RF信号之一提供给相位差生成部件310没有向其提供RF信号的第一RF电极38和第二RF电极39中的任一个。图14示出了这样的示例，其中要输入到切换部件320的两个RF信号之一被输入到第二RF电极39。
通过这样做，分别提供给第一RF电极38和第二RF电极39的两个RF信号之间的相位差变为+90度或-90度。另外，两个RF信号的相位差可以通过控制部件50控制切换部件320来切换。控制部件50以这种方式将提供给第一RF电极38和第二RF电极39的RF信号的相位差的正负号反转，因此光学SSB调制器30的频移方向可以被切换。即，控制部件50可以通过切换提供给光学SSB调制器30的RF信号的相位来切换光学SSB调制器30的频移方向。
如上所述，可以通过诸如开关的简单电路配置来实现对提供给光学SSB调制器30的RF信号的切换。由于这样的变型示例的控制部件50可以是简单的电路配置，因此能够以低成本、稳定且高速地切换频移方向。
基于示例性实施例说明了本发明。本发明的技术范围不限于上述实施例中说明的范围，在本发明的范围内可以进行各种改变和修改。例如，装置的全部或一部分可以使用在功能上或物理上分布或集成的任何单元进行配置。此外，通过它们的任意组合生成的新的示例性实施例包括在本发明的示例性实施例中。此外，通过组合带来的新实施例的效果也一起具有原始示例性实施例的效果。
[附图标记说明]
10 待测对象
20 AOFS
21 光学晶体
22 超声换能器
23 超声吸收器
24 振荡器
30 光学SSB调制器
31 衬底
32 主马赫曾德尔波导
33 第一子马赫曾德尔波导34 第二子马赫曾德尔波导35 主DC电极
36 第一子DC电极
37 第二子DC电极
38 第一RF电极
39 第二RF电极
41 第一臂波导
42 第二臂波导
43 第一子臂波导
44 第二子臂波导
45 第三子臂波导
46 第四子臂波导
50 控制部件
52 DC电压生成部件
54 RF信号生成部件
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 光学环行器
140 光学头部件
150 差拍信号生成部件
152 光学90度混合器
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 时钟信号提供部件
220 频率分析部件
310 相位差生成部件
320 切换部件

Claims (16)

1.一种激光装置，用于输出具有多种模式的调频激光束，所述激光装置包括：
光学腔，其具有
用于放大要输入的光的增益介质，以及
光学SSB调制器，用于移位由所述增益介质放大的光的频率；以及
控制部件，其控制所述光学SSB调制器以移位要输入到所述光学SSB调制器的光的频率。
2.如权利要求1所述的激光装置，其中
所述控制部件设置所述光学SSB调制器的频移量。
3.如权利要求2所述的激光装置，其中
所述光学SSB调制器具有：
衬底，
主马赫曾德尔波导，其设置在所述衬底上且具有第一臂波导和第二臂波导，
设置在所述第一臂波导上的第一子马赫曾德尔波导，以及
设置在所述第二臂波导上的第二子马赫曾德尔波导；并且
所述控制部件将预定值的DC电压和RF信号提供给设置在所述衬底上并且对应于所述主马赫曾德尔波导、所述第一子马赫曾德尔波导和所述第二子马赫曾德尔波导的电极，并通过改变所述RF信号的频率来设置所述频移量。
4.如权利要求1所述的激光装置，其中所述控制部件设置所述光学SSB调制器的频移方向。
5.如权利要求4所述的激光装置，其中
所述光学SSB调制器具有：
衬底，
主马赫曾德尔波导，其设置在所述衬底上且具有第一臂波导和第二臂波导，
设置在所述第一臂波导上的第一子马赫曾德尔波导，以及
设置在所述第二臂波导上的第二子马赫曾德尔波导；并且
所述控制部件通过将预定值的DC电压提供给设置在所述衬底上并且对应于所述主马赫曾德尔波导、所述第一子马赫曾德尔波导和所述第二子马赫曾德尔波导的电极来切换所述频移方向。
6.如权利要求4所述的激光装置，其中
所述光学SSB调制器具有：
衬底，
主马赫曾德尔波导，其设置在所述衬底上且具有第一臂波导和第二臂波导，
设置在所述第一臂波导上的第一子马赫曾德尔波导，以及
设置在所述第二臂波导上的第二子马赫曾德尔波导；并且
所述控制部件将要提供给设置在所述衬底上并且对应于所述主马赫曾德尔波导、所述第一子马赫曾德尔波导和所述第二子马赫曾德尔波导的电极的RF信号的相位反转，并切换所述频移方向。
7.如权利要求3所述的激光装置，其中
所述主马赫曾德尔波导是这样的波导，其将输入到所述光学SSB调制器的光分支到所述第一臂波导和所述第二臂波导，并将分支的光复用以输出复用的光，
所述第一子马赫曾德尔波导是这样的波导，其将输入到所述第一臂波导的光分支到第一子臂波导和第二子臂波导，并将分支的光复用以输出复用的光到所述第一臂波导，
所述第二子马赫曾德尔波导是这样的波导，其将输入到所述第二臂波导的光分支到第三子臂波导和第四子臂波导，并将分支的光复用以输出复用的光到所述第二臂波导，
所述电极具有：
设置在所述主马赫曾德尔波导的第一臂波导和第二臂波导之间的主DC电极，
设置在所述第一子马赫曾德尔波导的第一子臂波导和第二子臂波导之间的第一子DC电极和第一RF电极，
设置在所述第二子马赫曾德尔波导的第三子臂波导和第四子臂波导之间的第二子DC电极和第二RF电极，并且
所述控制部件将预定的DC电压提供给所述主DC电极、所述第一子DC电极和所述第二子DC电极，并将预定的RF信号提供给所述第一RF电极和所述第二RF电极。
8.一种测量装置，包括：
如权利要求1至7中任一项所述的激光装置；
分支部件，其将由所述激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光并将所述调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；
差拍信号生成部件，其通过混合所述参考光和通过将所述测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；以及
检测部件，其通过对所述差拍信号进行频率分析来检测所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差。
9.一种测量装置，包括：
如权利要求2或3所述的激光装置；
分支部件，其将由所述激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光并将所述调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；
差拍信号生成部件，其通过混合所述参考光和通过将所述测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；以及
检测部件，其通过对所述差拍信号进行频率分析来检测所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差，其中
所述控制部件将所述光学SSB调制器的频移量设置为第一频率或大于所述第一频率的第二频率中的一个，然后使所述检测部件对所述差拍信号进行频率分析，以及
所述检测部件基于以下各项的频率分析的结果检测所述参考光和所述测量光的传播距离的差：(i)当将所述光学SSB调制器的频移量设置为所述第一频率时的阶数确定差拍信号，以及(ii)当所述光学SSB调制器的频移量设置为所述第二频率时的距离测量差拍信号。
10.一种测量装置，包括：
如权利要求4至6中任一项所述的激光装置；
分支部件，其将由所述激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光并将所述调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；
差拍信号生成部件，其通过混合所述参考光和通过将所述测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；以及
检测部件，其通过对所述差拍信号进行频率分析来检测所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差，其中
所述控制部件将所述光学SSB调制器的频移方向切换到正侧或负侧中的一个，然后使所述检测部件对所述差拍信号进行频率分析，以及
所述检测部件基于以下各项的频率分析结果检测所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差：(i)当所述光学SSB调制器的频移方向是正侧时生成的正侧差拍信号，以及(ii)当所述光学SSB调制器的频移方向是负侧时生成的负侧差拍信号。
11.如权利要求8所述的测量装置，其中
所述检测部件通过以下等式计算所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差d：
Figure FDA0002838587230000041
其使用通过对所述差拍信号进行频率分析而获得的频率νB(m,d)，其中c是光速，νs是所述调频激光束的频移量，νc＝1/τRT，τRT是光围绕所述激光装置的光学腔行进的时间，m是所述调频激光束的纵模数的间隔(所述测量光的纵模数和所述参考光的纵模数之间的差)。
12.如权利要求8所述的测量装置，其中所述差拍信号生成部件对所述反射光和所述参考光进行正交检测。
13.一种测量方法，包括以下步骤：
设置光学SSB调制器的频移量和频移方向；
从激光装置输出包括多种模式的调频激光束，所述激光装置包括具有增益介质的光学腔和所述光学SSB调制器；
将由所述激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光并将所述调频激光束的剩余部分中的至少一些分支为测量光；
通过混合所述参考光和通过将所述测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成第一差拍信号；以及
基于所述第一差拍信号的频率分析结果来检测所述参考光和测量光的传播距离的差。
14.如权利要求13所述的测量方法，其中
在生成所述第一差拍信号之后执行以下步骤：
通过切换所述光学SSB调制器的频移方向来生成第二差拍信号；以及
基于所述第一差拍信号和所述第二差拍信号的频率分析结果来检测所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差。
15.如权利要求13所述的测量方法，其中
所述设置包括将所述光学SSB调制器的频移量设置为第一频率；以及
在生成所述第一差拍信号之后执行以下步骤：
通过将所述光学SSB调制器的频移量切换到大于所述第一频率的第二频率来生成距离测量差拍信号；以及
基于所述第一差拍信号和所述距离测量差拍信号的频率分析结果来检测所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差。
16.如权利要求13所述的测量方法，其中
所述设置包括在所述设置中将所述光学SSB调制器的频移量设置为第一频率；以及
在生成所述第一差拍信号之后执行以下步骤：
通过将所述光学SSB调制器的频移量切换到大于所述第一频率的第二频率来生成第三差拍信号；以及
通过在将所述光学SSB调制器的频移量保持在所述第二频率的同时将所述频移方向切换到相反的方向来生成第四差拍信号；以及
基于所述第一差拍信号、所述第三差拍信号和所述第四差拍信号的频率分析结果来检测所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差。
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