DE102020206612A1

DE102020206612A1 - Messvorrichtung und messverfahren

Info

Publication number: DE102020206612A1
Application number: DE102020206612.4A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Ujihara; Yoshimasa Suzuki; Shinichi Hara
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-12-03
Also published as: JP7233302B2; JP2020193910A; US11635518B2; CN112014852A; US20200379112A1

Abstract

Es wird eine Messvorrichtung 100 geschaffen, die enthält: eine Laservorrichtung 110, die einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden ausgibt; einen Verzweigungsteil 120, der den frequenzmodulierten Laserstrahl in Referenzlicht und Messlicht verzweigt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150, der durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt 10 reflektiert wird, mehrere Schwebungssignale erzeugt; einen Umsetzungsteil 160, der die mehreren Schwebungssignale durch Abtasten der Schwebungssignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen einer Resonatorfrequenz des Laserresonators in digitale Signale umsetzt; und einen Berechnungsteil 170, der auf der Grundlage der digitalen Signale eine Entfernung von der Messvorrichtung 100 zu dem zu messenden Objekt 10 berechnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung und auf ein Messverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Laser mit frequenzverschobener Rückkopplung (FSFL), der in einem Resonator mit einem Frequenzschieber versehen ist und mehrere Längsmodenlaser ausgibt, deren Schwingungsfrequenzen mit der Zeit linear variieren, ist bekannt. Außerdem ist ein optischer Entfernungsmesser, der einen derartigen FSFL verwendet, bekannt (siehe z. B. Patentdokument 1, die Patentschrift des japanischen Patents Nr. 3583906 , und das Nicht-PatentDokument 1, „Distance Sensing by FSF Laser and Its Application“ von Takefumi HARA, Optonews, Bd. 7, Nr. 3, 2012, S. 25-31).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Ein optischer Entfernungsmesser, der einen Laser mit frequenzverschobener Rückkopplung (FSFL) verwendet, kann auf kontaktlose Weise eine große Menge dreidimensionaler Informationen erfassen und wird z. B. an Entwurfs- und Produktionsstandorten verwendet. In einem derartigen optischen Entfernungsmesser kann in einer Lichtempfangseinrichtung, in einer Messschaltung und dergleichen elektrisches Rauschen erzeugt werden und einem elektrischen Signal überlagert werden, was eine Verringerung der Messgenauigkeit verursacht. Herkömmlich werden Ergebnisse mehrerer Messungen gemittelt, um die Verringerung der Messgenauigkeit zu verhindern, wobei es aber Probleme gibt, dass dies eine Erhöhung der Messzeit und eine Verringerung des Durchsatzes verursacht.
Die vorliegende Erfindung konzentriert sich auf diese Punkte und eine Aufgabe der Erfindung ist die Unterdrückung einer Verringerung der Messgenauigkeit, während die Messzeit eines optischen Entfernungsmessers verkürzt wird, mit einer einfachen Konfiguration.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine Messvorrichtung zum Messen einer Entfernung zu einem zu messenden Objekt, wobei die Messvorrichtung enthält: eine Laservorrichtung, die einen Laserresonator aufweist und einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden ausgibt; einen Verzweigungsteil, der einen Teil des durch die Laservorrichtung ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahls als Referenzlicht und wenigstens etwas des verbleibenden Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als Messlicht verzweigt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil, der durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt reflektiert wird, mehrere Schwebungssignale erzeugt; einen Umsetzungsteil, der die mehreren Schwebungssignale durch Abtasten der Schwebungssignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen einer Resonatorfrequenz des Laserresonators in digitale Signale umsetzt; und einen Berechnungsteil, der auf der Grundlage der digitalen Signale eine Entfernung von der Messvorrichtung zu dem zu messenden Objekt berechnet.
Der Umsetzungsteil kann einen Frequenzumsetzungsteil enthalten, der die digitalen Signale in Frequenzinformationen umsetzt, und der Berechnungsteil kann enthalten: einen Teilungsteil, der die durch den Frequenzumsetzungsteil umgesetzten Frequenzinformationen in Frequenzinformationen teilt, die mehreren Bändern mit einer vorgegebenen Bandbreite entsprechen; einen Detektionsteil, der für jedes von mehreren Einheiten geteilter Frequenzinformationen eine Frequenzposition eines Schwebungssignals detektiert; und einen Entfernungsberechnungsteil, der auf der Grundlage der detektierten Frequenzpositionen der mehreren Schwebungssignale die Entfernung von der Messvorrichtung zu dem zu messenden Objekt berechnet.
Der Entfernungsberechnungsteil kann jeweils Entfernungen von der Messvorrichtung zu dem zu messenden Objekt berechnen, die den Frequenzpositionen der mehreren Schwebungssignale entsprechen, und mehrere der berechneten Entfernungen mitteln.
Der Entfernungsberechnungsteil kann entsprechende Frequenzpositionen der mehreren Schwebungssignale umsetzen, die umgesetzten Frequenzpositionen mitteln und eine Entfernung von der Messvorrichtung zu dem zu messenden Objekt, die den gemittelten Frequenzpositionen entspricht, berechnen.
Der Umsetzungsteil kann einen Frequenzumsetzungsteil enthalten, der die digitalen Signale in Frequenzinformationen umsetzt, und der Berechnungsteil kann enthalten: einen Teilungsteil, der die durch den Frequenzumsetzungsteil umgesetzten Frequenzinformationen in mehrere Einheiten von Frequenzinformationen teilt, die mehreren Bändern mit einer vorgegebenen Bandbreite entsprechen; einen Integrationsteil, der mehrere Einheiten geteilter Frequenzinformationen in Frequenzinformationen, die einem vorgegebenen Frequenzband entsprechen, umsetzt und daraufhin Signalpegel für jede Frequenz integriert; einen Detektionsteil, der eine Frequenzposition des Schwebungssignals der integrierten Frequenzinformationen detektiert; und einen Entfernungsberechnungsteil, der auf der Grundlage der detektierten Frequenzposition des Schwebungssignals die Entfernung von der Messvorrichtung zu dem zu messenden Objekt berechnet.
Der Teilungsteil kann die vorgegebene Bandbreite auf eine Bandbreite v_c, die dieselbe wie die Resonatorfrequenz ist, einstellen, und der Integrationsteil kann ein erstes Band von der niedrigsten Frequenz der mehreren Einheiten geteilter Frequenzinformationen auf das eine entsprechende Frequenzband einstellen, verschiebt k - 1 Einheiten von Frequenzinformationen in Richtung niedrigerer Frequenz, um Frequenzinformationen des ersten Bands durch Subtrahieren von (k - 1) · v_c von einer Frequenz eines k-ten Bands umzusetzen, und integriert daraufhin Signalpegel für jede Frequenz, wobei das k-te Band ein nachfolgendes k-tes Band nach dem ersten Band ist.
Der Teilungsteil kann die vorgegebene Bandbreite auf eine Bandbreite gleich oder kleiner als die Resonatorfrequenz einstellen.
Ferner kann die Messvorrichtung umfassen: einen Extraktionsteil, der eine Signalkomponente, die dem frequenzmodulierten Laserstrahl, der von der Laservorrichtung ausgegebenen wird und der Resonatorfrequenz des Laserresonators entspricht, überlagert ist, extrahiert, wobei der Umsetzungsteil ferner einen Taktsignal-Zuführungsteil enthält, der auf der Grundlage der Signalkomponente ein Taktsignal mit der Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonanzfrequenz des Laserresonators erzeugt.
Der Taktsignal-Zuführungsteil kann eine PLL-Schaltung enthalten, die eine Frequenz der Signalkomponente als eine Referenzfrequenz verwendet und ein Frequenzsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Referenzfrequenz als ein Taktsignal ausgibt.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Messverfahren einer Messvorrichtung zum Messen einer Entfernung zu einem zu messenden Objekt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält: Ausgeben eines frequenzmodulierten Laserstrahls mit mehreren Moden von einer Laservorrichtung mit einem Laserresonator; Verzweigen eines Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als Referenzlicht und wenigstens etwas des verbleibenden Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als Messlicht; Erzeugen mehrerer Schwebungssignale durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt reflektiert wird; Umsetzen der mehreren Schwebungssignale in digitale Signale durch Abtasten der Schwebungssignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen einer Resonatorfrequenz des Laserresonators; und Berechnen einer Entfernung von der Messvorrichtung zu dem zu messenden Objekt auf der Grundlage der digitalen Signale.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es eine Wirkung der Unterdrückung einer Verringerung der Messgenauigkeit eines optischen Entfernungsmessers mit einer einfachen Konfiguration, während die Messzeit verkürzt wird.
Figurenliste

1 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit einem zu messenden Objekt 10.
2 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
3 zeigt ein Beispiel eines von der Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgegebenen Laserstrahls.
4 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen (i) einer Frequenz des durch die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform detektierten Schwebungssignals und (ii) einer Entfernung d zwischen einem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10.
5 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 und eines Umsetzungsteils 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
6 zeigt ein Beispiel einer Übersicht der Quadraturdetektion durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und durch den Umsetzungsteil 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
7 zeigt ein Beispiel von Frequenzinformationen, die der Umsetzungsteil 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgibt.
8 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Umsetzungsteils 160 und eines Berechnungsteils 170, die in der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen sind.
9 zeigt ein Variantenbeispiel des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170, die in der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen sind.
10 zeigt ein Variantenbeispiel der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit dem zu messenden Objekt 10.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[Konfigurationsbeispiele der Messvorrichtung 100]
1 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit einem zu messenden Objekt 10. Die Messvorrichtung 100 misst optisch eine Entfernung zwischen der Messvorrichtung 100 und dem zu messenden Objekt 10. Außerdem kann die Messvorrichtung 100 durch Abtasten einer Position des auf das zu messende Objekt 10 ausgestrahlten Laserstrahls die dreidimensionale Form des zu messenden Objekts 10 messen. Die Messvorrichtung 100 enthält eine Laservorrichtung 110, einen Verzweigungsteil 120, einen optischen Zirkulator 130, einen optischen Kopfteil 140, einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150, einen Umsetzungsteil 160, einen Berechnungsteil 170 und einen Anzeigeteil 180.
Die Laservorrichtung 110 weist einen Laserresonator auf und gibt einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden aus. Die Laservorrichtung 110 ist in einem Resonator mit einem Frequenzschieber versehen und gibt mehrere Längsmodenlaser aus, deren Schwingungsfrequenzen sich im Zeitverlauf linear ändern. Die Laservorrichtung 110 ist z. B. ein Laser mit frequenzverschobener Rückkopplung (FSFL). Der FSFL wird später beschrieben.
Der Verzweigungsteil 120 verzweigt den von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl mit einem Teil davon als Referenzlicht und wenigstens etwas des verbleibenden Teils davon als Messlicht. Der Verzweigungsteil 120 ist z. B. ein Ein-Eingang-Zwei-Ausgänge-Faseroptikkoppler. In dem Beispiel aus 1 führt der Verzweigungsteil 120 das Messlicht dem optischen Zirkulator 130 zu und führt er das Referenzlicht dem Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 zu.
Der optische Zirkulator 130 weist mehrere Eingangs-/Ausgangsanschlüsse auf. Der optische Zirkulator 130 gibt z. B. Licht, das von einem Anschluss eingegeben wird, an den nächsten Anschluss aus und gibt ferner Licht, das von dem nächsten Anschluss eingegeben wird, an den Anschluss nach dem nächsten aus. 1 zeigt das Beispiel, in dem der optische Zirkulator 130 drei Eingangs-/Ausgangsanschlüsse aufweist. In diesem Fall gibt der optische Zirkulator 130 das von dem Verzweigungsteil 120 zugeführte Messlicht an den optischen Kopfteil 140 aus. Außerdem gibt der optische Zirkulator 130 von dem optischen Kopfteil 140 eingegebenes Licht an den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 aus.
Der optische Kopfteil 140 strahlt das von dem optischen Zirkulator 130 eingegebene Licht in Richtung des zu messenden Objekts 10 aus. Der optische Kopfteil 140 enthält z. B. eine Kollimatorlinse. In diesem Fall stellt der optische Kopfteil 140 zuerst das von dem optischen Zirkulator 130 über eine Lichtleitfaser eingegebene Licht unter Verwendung der Kollimatorlinse in eine Strahlform ein und gibt das Licht daraufhin aus.
Außerdem empfängt der optische Kopfteil 140 reflektiertes Licht des auf das zu messende Objekt 10 ausgestrahlten Messlichts. Der optische Kopfteil 140 fokussiert das empfangene reflektierte Licht mit einer Kollimatorlinse auf die Lichtleitfaser und führt es dem optischen Zirkulator 130 zu. In diesem Fall kann der optische Kopfteil 140 eine gemeinsame Kollimatorlinse enthalten und kann die Kollimatorlinse das zu messende Objekt 10 mit dem Messlicht bestrahlen und kann er von dem zu messenden Objekt 10 das reflektierte Licht empfangen. Die Entfernung zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10 ist als d definiert.
Alternativ kann der optische Kopfteil 140 eine Kondensorlinse enthalten. In diesem Fall fokussiert der optische Kopfteil 140 das von dem optischen Zirkulator 130 über die Lichtleitfasern eingegebene Licht auf die Oberfläche des zu messenden Objekts 10. Der optische Kopfteil 140 empfängt wenigstens einen Teil des reflektierten Lichts, das auf der Oberfläche des zu messenden Objekts 10 reflektiert wird. Der optische Kopfteil 140 fokussiert das empfangene reflektierte Licht unter Verwendung der Kondensorlinse auf eine Lichtleitfaser und führt das Licht dem optischen Zirkulator 130 zu. Außerdem kann der optische Kopfteil 140 in diesem Fall eine gemeinsame Kondensorlinse enthalten und kann die Kondensorlinse das zu messende Objekt 10 mit dem Messlicht bestrahlen und das reflektierte Licht von dem zu messenden Objekt 10 empfangen.
Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 empfängt von dem optischen Zirkulator 130 das reflektierte Licht, das das auf das zu messende Objekt 10 ausgestrahlte und davon reflektierte Messlicht ist. Außerdem empfängt der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 das Referenzlicht von dem Verzweigungsteil 120. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 mischt das reflektierte Licht und das Referenzlicht, um ein Schwebungssignal zu erzeugen. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 enthält z. B. ein fotoelektrisches Umsetzungselement, setzt das Schwebungssignal in ein elektrisches Signal um und gibt das elektrische Signal aus.
Da das reflektierte Licht hier über die Entfernung von dem optischen Kopfteil 140 zu dem zu messenden Objekt 10 in beiden Richtungen gelaufen ist, tritt im Vergleich mit dem Referenzlicht eine Differenz einer Ausbreitungsentfernung, die wenigstens der Entfernung 2d entspricht, auf. Da sich die Schwingungsfrequenz des von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Lichts im Verlauf der Zeit linear ändert, tritt eine Frequenzdifferenz der Schwingungsfrequenzen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, die von einer Ausbreitungsverzögerung, die der Differenz der Ausbreitungsentfernung entspricht, abhängt, auf. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt ein Schwebungssignal, das einer derartigen Frequenzdifferenz entspricht.
Der Umsetzungsteil 160 setzt das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugte Schwebungssignal in ein digitales Signal um. Außerdem führt der Umsetzungsteil 160 eine Frequenzumsetzung des umgesetzten digitalen Signals aus, um die Frequenz des Schwebungssignals zu detektieren. Die Frequenz des Schwebungssignals ist hier als ν_B definiert.
Der Berechnungsteil 170 detektiert auf der Grundlage des Umsetzungsergebnisses des Umsetzungsteils 160 eine Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht. Der Berechnungsteil 170 berechnet auf der Grundlage der Frequenz ν_B der Schwebungssignale die Entfernung d von dem optischen Kopfteil 140 zu dem zu messenden Objekt 10.
Der Anzeigeteil 180 zeigt ein Berechnungsergebnis des Berechnungsteils 170 an. Der Anzeigeteil 180 kann eine Anzeige oder dergleichen enthalten, um das Berechnungsergebnis anzuzeigen. Außerdem kann der Anzeigeteil 180 das Berechnungsergebnis in einer Speichereinheit oder dergleichen speichern. Der Anzeigeteil 180 kann das Berechnungsergebnis einer externen Einrichtung über ein Netz oder dergleichen zuführen.
Die oben beschriebene Messvorrichtung 100 kann durch Analysieren der Frequenzdifferenz zwischen dem reflektierten Licht des auf das zu messende Objekt 10 ausgestrahlten Messlichts und dem Referenzlicht die Entfernung d zwischen der Messvorrichtung 100 und dem zu messenden Objekt 10 messen. Das heißt, die Messvorrichtung 100 kann einen kontaktlosen und zerstörungsfreien optischen Entfernungsmesser bilden. Nachfolgend wird eine detailliertere Konfiguration der Messvorrichtung 100 beschrieben.
[Konfigurationsbeispiel der Laservorrichtung 110]
2 zeigt ein Konfigurationsbeispiel der Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Laservorrichtung 110 aus 2 zeigt ein Beispiel des FSFL. Die Laservorrichtung 110 enthält einen Laserresonator und versetzt einen Laserstrahl in dem Laserresonator in Schwingungen. Der Laserresonator der Laservorrichtung 110 enthält einen Laserresonator, der einen Frequenzschieber 112, ein Verstärkungsmedium 114, einen WDM-Koppler 116, eine Pumplichtquelle 117 und einen Ausgangskoppler 118 enthält.
Der Frequenzschieber 112 verschiebt eine Frequenz von auszugebendem Licht um eine näherungsweise konstante Frequenz. Der Frequenzschieber 112 ist z. B. ein akusto-optischer Frequenzschieber (AOFS) mit akusto-optischen Elementen. Ein Betrag der Frequenzverschiebung durch den Frequenzschieber 112 ist hier als +ν_s definiert. Das heißt, der Frequenzschieber 112 verschiebt die Frequenz des um den Resonator umlaufenden Lichts, um die Frequenz für jede Runde um ν_s zu erhöhen.
Dem Verstärkungsmedium 114 wird Pumplicht zugeführt und es verstärkt das Eingangslicht. Das Verstärkungsmedium 114 ist z. B. eine Lichtleitfaser, die mit Störstellen dotiert ist. Die Störstellen sind z. B. Seltenerdelemente wie etwa Erbium, Neodym, Ytterbium, Terbium, Thulium oder dergleichen. Dem Verstärkungsmedium 114 wird über den WDM-Koppler 116 das Pumplicht von der Pumplichtquelle 117 zugeführt. Der Ausgangskoppler 118 gibt einen Teil des Lichts, das in dem Resonator in Laserschwingungen versetzt worden ist, an eine externe Einrichtung aus.
Das heißt, die in 2 gezeigte Laservorrichtung 110 enthält einen Faserringlaser mit dem Frequenzschieber 112 in dem Resonator. Vorzugsweise enthält die Laservorrichtung 110 ferner einen Isolator in dem Resonator. Außerdem kann die Laservorrichtung 110 ein optisches Bandpassfilter aufweisen, das Licht eines vorgegebenen Wellenlängenbands in dem Resonator durchlässt. Im Folgenden werden die Frequenzeigenschaften des von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Laserstrahls beschrieben.
3 zeigt ein Beispiel des von der Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgegebenen Laserstrahls. 3 zeigt links ein Lichtspektrum des von der Laservorrichtung 110 zu dem Zeitpunkt to ausgegebenen Laserstrahls. In dem Lichtspektrum gibt die horizontale Achse die Lichtstärke an und gibt die vertikale Achse die Frequenz des Lichts an. Außerdem sind mehrere Längsmoden des Lichtspektrums durch die Zahlen q bezeichnet. Die Frequenzen der mehreren Längsmoden sind näherungsweise in konstanten Frequenzintervallen angeordnet. Unter der Annahme, dass τ_RT (= 1/ν_c) die Zeit bezeichnet, in der das Licht um den Resonator umläuft, sind die mehreren Längsmoden, wie durch die folgende Gleichung repräsentiert ist, in Intervallen von 1/τ_RT (= ν_c) angeordnet. Es wird angemerkt, dass vo die Anfangsfrequenz des Lichtspektrums zu dem Zeitpunkt to ist. Außerdem ist ν_c die Resonanzfrequenz ν_c des Laserresonators. $v_{q} (t_{0}) = v_{0} + \frac{q}{τ_{R T}}$
3 zeigt rechts Änderungen der Frequenzen der mehreren durch die Laservorrichtung 110 ausgegebenen Längsmoden im Verlauf der Zeit. Auf der rechten Seite von 3 gibt die horizontale Achse die Zeit an und gibt die vertikale Achse die Frequenz an. Das heißt, 3 zeigt auf der rechten Seite eine Änderung der Frequenz des von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Laserstrahls im Zeitverlauf und zeigt auf der linken Seite eine Momentanfrequenz des Laserstrahls zum Zeitpunkt to.
Jedes Mal, wenn das Licht in dem Resonator in der Laservorrichtung 110 in dem Resonator umläuft, erhöht der Frequenzschieber 112 die Frequenz des in dem Resonator umlaufenden Lichts um vs. Das heißt, die Änderungsrate der Frequenz dv/dt (d. h. die Chirp-Rate) wird näherungsweise gleich ν_S/τ_RT, da die Frequenz jeder der Moden für jedes Verstreichen von τ_RT um ν_s zunimmt. Somit ändern sich die mehreren durch Gleichung 1 repräsentierten Längsmoden im Verlauf der Zeit t, wie in der folgenden Gleichung gezeigt ist. $v_{q} (t) = v_{0} + \frac{v_{s}}{τ_{R T}} t + \frac{q}{τ_{R T}}$
[Einzelheiten eines Entfernungsmessprozesses]
Die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform misst die Entfernung d zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10 unter Verwendung der Laservorrichtung 110, die die durch Gleichung 2 repräsentierten Frequenzelemente ausgibt. Es wird angenommen, dass eine Differenz der optischen Wege zwischen dem Referenzlicht und dem reflektierten Licht nur die Entfernung 2d, d. h. die Entfernung d, über die hin- und hergegangen worden ist, ist und dass die der Entfernung 2d entsprechende Ausbreitungsverzögerung Δt ist. Das heißt, wenn das Messlicht von dem zu messenden Objekt 10 zu dem Zeitpunkt t reflektiert worden und zurückgekehrt ist, ist die Frequenz des zurückgekehrten reflektierten Lichts näherungsweise an die frühere Frequenz, d. h. zu einer Zeit Δt früher als der Zeitpunkt t, angepasst, und kann somit durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. $v_{q} (t - Δ t) = v_{0} + \frac{v_{s}}{τ_{R T}} (t - Δ t) + \frac{q}{τ_{R T}}$
Andererseits kann das Referenzlicht zum Zeitpunkt t auf ähnliche Weise wie mit Gleichung 2 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, wobei das Referenzlicht ν_q'(t) ist. $v_{q'} (t) = v_{0} + \frac{v_{s}}{τ_{R T}} t + \frac{q'}{τ_{R T}}$
Da der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 das reflektierte Licht und das Referenzlicht überlagert, werden zwischen den mehreren durch Gleichung 3 ausgedrückten Längsmoden und den mehreren durch Gleichung 4 ausgedrückten Längsmoden mehrere Schwebungssignale erzeugt. Unter der Annahme, dass die Frequenzen dieser Schwebungssignale v_B(m, d) sind, kann v_B(m, d) durch die folgende Gleichung aus den Gleichungen 3 und 4 ausgedrückt werden, wobei m ein Intervall der Längsmodennummern (= q-q') und Δt = 2d/c ist. $v_{B} (m, d) = v_{q'} (t) - v_{q} (t - Δ t) = \frac{v_{s}}{τ_{R T}} \cdot \frac{2 d}{c} - \frac{m}{τ_{R T}}$
Aus Gleichung 5 wird die Entfernung d durch die folgende Gleichung ausgedrückt, wobei 1/τ_RT = ν_c ist. $d = \frac{c}{2 v_{s} v_{c}} {v_{B} (m, d) + m v_{c}}$
Aus Gleichung 6 ist zu verstehen, dass die Entfernung d durch Bestimmen des Intervalls m der Längsmodennummern aus einem Frequenzbeobachtungsergebnis des Schwebungssignals berechnet werden kann. Es wird angemerkt, dass das Intervall m durch Detektieren einer Änderung der Schwebungssignale bestimmt werden kann, wenn der Betrag der Frequenzverschiebung ν_s der Laservorrichtung 110 geändert wird. Da ein derartiges Verfahren zum Bestimmen des Intervalls m, wie im Patentdokument 1 oder dergleichen beschrieben ist, bekannt ist, ist eine ausführliche Beschreibung weggelassen.
Da das beobachtete Schwebungssignal immer eine positive Frequenz ist, wird das auf der Seite der negativen Frequenz erzeugte Schwebungssignal in der Berechnung auf die positive Seite zurückgeklappt und als ein Bildsignal beobachtet. Nachfolgend wird die Erzeugung eines derartigen Bildsignals beschrieben.
4 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Frequenz des durch die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform detektierten Schwebungssignals und der Entfernung d zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10. In 4 gibt die horizontale Achse die Entfernung d an und gibt die vertikale Achse die Frequenz v_B(m, d) des Schwebungssignals an. Die mehreren durch die durchgezogenen Linien in 4 gezeigten Geraden sind Graphen, die die wie in Gleichung 5 gezeigte Beziehung der Frequenz v_B(m, d) des Schwebungssignals in Bezug auf die Entfernung d für jeden der mehreren Werte von m zeigen.
Wie in 4 gezeigt ist, werden mehrere Schwebungssignale, die dem Wert von m entsprechen, erzeugt. Allerdings sind mehrere Schwebungssignale mit gleichen Werten von m näherungsweise auf derselben Frequenz auf der Frequenzachse überlagert, da die mehreren sowohl in dem reflektierten Licht als auch in dem Referenzlicht enthaltenen Längsmoden näherungsweise in konstanten Frequenzintervallen ν_c angeordnet sind. Zum Beispiel sind mehrere Schwebungssignale näherungsweise auf derselben Frequenz überlagert und werden als ein einzelnes Linienspektrum beobachtet, wenn ein Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und ν_c beobachtet wird.
Außerdem wird ferner der Absolutwert der Frequenz v_B(m, d) des Schwebungssignals in dem negativen Bereich kleiner als 0 als das Bildsignal beobachtet. Das heißt, der Graph des Gebiets, in dem die vertikale Achse aus 4 kleiner als 0 ist, wird mit einer Frequenz 0 als eine Grenze zurückgeklappt. 4 zeigt das zurückgeklappte Bildsignal durch mehrere Strichlinien. Da nur die positiven und die negativen Vorzeichen der zurückgeklappten Bildsignale umgekehrt sind, sind die Bildsignale auf der beobachteten Frequenzachse bei derselben Frequenz wie der Absolutwert der Frequenz, bevor sie zurückgeklappt worden sind, überlagert. Zum Beispiel befinden sich das Schwebungssignal und das Bildsignal jeweils bei unterschiedlichen Frequenzen, es sei denn, dass die Frequenzen des Schwebungssignals und des Bildsignals ν_c/2 werden, wenn ein Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und ν_c beobachtet wird.
Wie oben beschrieben ist, werden in dem Beobachtungsband zwischen den Frequenzen 0 und ν_c zwei Linienspektren erzeugt, die (i) das Schwebungssignal ν_B(m, d) und (ii) das Bildsignal ν_B(m', d), dessen Wert von m von dem des Schwebungssignals v_B(m, d) verschieden ist, sind. Als ein Beispiel ist hier m' = m + 1. In diesem Fall kann der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 ein derartiges Bildsignal unter Verwendung einer Quadraturdetektion aufheben. Nachfolgend werden der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und der Umsetzungsteil 160, die die Quadraturdetektion verwenden, beschrieben.
5 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 und des Umsetzungsteils 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 führt eine Quadraturdetektion des reflektierten Lichts und des Referenzlichts aus. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 enthält einen optischen 90-Grad-Hybrid 152, einen ersten fotoelektrischen Umsetzungsteil 154 und einen zweiten fotoelektrischen Umsetzungsteil 156.
Der optische 90-Grad-Hybrid 152 verzweigt das eingegebene reflektierte Licht bzw. das eingegebene Referenzlicht in zwei. Der optische 90-Grad-Hybrid 152 multiplexiert eines der verzweigten reflektierten Lichtsignale und eines der verzweigten Referenzlichtsignale mit einem Optikkoppler oder dergleichen, um das erste Schwebungssignal zu erzeugen. Der optische 90-Grad-Hybrid 152 multiplexiert das andere verzweigte reflektierte Licht und das andere verzweigte Referenzlicht mit dem Optikkoppler oder dergleichen, um das zweite Schwebungssignal zu erzeugen. Der optische 90-Grad-Hybrid 152 erzeugt hier, nachdem er zwischen den zwei verzweigten Referenzlichtsignalen eine Phasendifferenz von 90 Grad erzeugt hat, ein Schwebungssignal. Zum Beispiel multiplexiert der optische 90-Grad-Hybrid 152 das verzweigte reflektierte Licht mit einem des verzweigten Referenzlichts und multiplexiert er das verzweigte reflektierte Licht mit Licht, das durch das andere verzweigte Referenzlicht erzeugt wird, das durch eine π/2-Wellenlängen-Platte geht.
Der erste fotoelektrische Umsetzungsteil 154 und der zweite fotoelektrische Umsetzungsteil 156 empfangen das multiplexierte reflektierte Licht und das Referenzlicht und setzen sie in elektrische Signale um. Sowohl der erste fotoelektrische Umsetzungsteil 154 als auch der zweite fotoelektrische Umsetzungsteil 156 kann eine Fotodiode oder dergleichen sein. Sowohl der erste fotoelektrische Umsetzungsteil 154 als auch der zweite fotoelektrische Umsetzungsteil 156 sind z. B. eine symmetrische Fotodiode. In 5 ist angenommen, dass der erste fotoelektrische Umsetzungsteil 154 ein erstes Schwebungssignal erzeugt und dass der zweite fotoelektrische Umsetzungsteil 156 ein zweites Schwebungssignal erzeugt. Wie oben beschrieben wurde, führt der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 durch Multiplexieren zweier Referenzlichtsignale bzw. zweier reflektierter Lichtsignale mit Phasen, die sich um 90 Grad unterscheiden, die Quadraturdetektionen aus und gibt er zwei Schwebungssignale an den Umsetzungsteil 160 aus.
Der Umsetzungsteil 160 führt an den zwei Schwebungssignalen eine Frequenzanalyse aus. Es wird hier ein Beispiel beschrieben, in dem der Umsetzungsteil 160 die Frequenzanalyse unter Verwendung des ersten Schwebungssignals als ein I-Signal und des zweiten Schwebungssignals als ein Q-Signal ausführt. Der Umsetzungsteil 160 enthält einen ersten Filterteil 162, einen zweiten Filterteil 164, einen ersten AD-Umsetzer 202, einen zweiten AD-Umsetzer 204, einen Taktsignal-Zuführungsteil 210 und einen Frequenzanalyseteil 220.
Der erste Filterteil 162 und der zweite Filterteil 164 verringern Signalkomponenten in einem Frequenzband, das sich von einem Frequenzband, das ein Benutzer oder dergleichen analysieren möchte, unterscheidet. Das Frequenzband, das der Benutzer oder dergleichen analysieren möchte, ist hier von 0 bis ν_c eingestellt. Der erste Filterteil 162 und der zweite Filterteil 164 sind z. B. Tiefpassfilter, die Signalkomponenten mit einer Frequenz gleich oder kleiner als ν_c durchlassen. In diesem Fall führt der erste Filterteil 162 das erste Schwebungssignal, das durch Verringern der Signalkomponenten mit einer höheren Frequenz als der Frequenz ν_c erhalten wird, dem ersten AD-Umsetzer 202 zu. Außerdem führt der zweite Filterteil 164 das durch Verringern der Signalkomponenten mit einer höheren Frequenz als der Frequenz ν_c erhaltene zweite Schwebungssignal dem zweiten AD-Umsetzer 204 zu.
Der erste AD-Umsetzer 202 und der zweite AD-Umsetzer 204 setzen analoge Signale in digitale Signale um. Zum Beispiel setzt der erste AD-Umsetzer 202 das erste Schwebungssignal in ein digitales Signal um und setzt der zweite AD-Umsetzer 204 das zweite Schwebungssignal in ein digitales Signal um. Der Taktsignal-Zuführungsteil 210 führt dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 Taktsignale zu. Dadurch setzen der erste AD-Umsetzer 202 und der zweite AD-Umsetzer 204 die analogen Signale näherungsweise mit derselben Abtastrate wie einer Taktfrequenz des empfangenen Taktsignals in die digitalen Signale um.
Wenn hier das Beobachtungsband von 0 bis ν_c ist, ist die Frequenz der Schwebungssignale höchstens die Resonatorfrequenz ν_c des Laserresonators. Somit führt der Taktsignal-Zuführungsteil 210 dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 Taktsignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Doppelten der Resonatorfrequenz ν_c des Laserresonators zu, wodurch die Schwebungssignale beobachtet werden können.
Der Frequenzanalyseteil 220 setzt das erste Schwebungssignal und das zweite Schwebungssignal in Frequenzdaten um. Als ein Beispiel führt der Frequenzanalyseteil 220 an dem ersten Schwebungssignal und an dem zweiten Schwebungssignal eine digitale Fourier-Transformation (DFT) aus. Der Frequenzanalyseteil 220 addiert das in die Frequenzdaten umgesetzte erste Schwebungssignal als den Realteil und das in die Frequenzdaten umgesetzte zweite Schwebungssignal als den Imaginärteil und hebt das Bildsignal auf. Es wird angemerkt, dass der Umsetzungsteil 160 den Frequenzanalyseteil 220 unter Verwendung einer integrierten Schaltung oder dergleichen konfigurieren kann, nachdem die Schwebungssignale in die digitalen Signale umgesetzt worden sind. Im Folgenden werden die Quadraturdetektion in dem Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und die Frequenzanalyse in dem Umsetzungsteil 160 beschrieben.
6 zeigt ein Beispiel einer Übersicht der Quadraturdetektion durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und durch den Umsetzungsteil 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. In 6 gibt die horizontale Achse die Frequenz des Schwebungssignals an und gibt die vertikale Achse die Signalstärke an. 6 zeigt ein Frequenzspektrum des I-Signals oder des Q-Signals. Wie in dem oberen Teil von 6 gezeigt ist, weisen die Frequenzspektren sowohl des I- als auch des Q-Signals näherungsweise dieselbe Spektralform auf. Zum Beispiel werden in dem I-Signal und in dem Signal Q in einem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und ν_c ein Schwebungssignal ν_B(m, d) und ein Bildsignal ν_B(m+1, d) beobachtet. In diesem Fall existieren in dem I- und in dem Q-Signal in einem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und -v_c auf der negativen Seite ein Schwebungssignal -ν_B(m, d) und ein ursprüngliches Schwebungssignal -ν_B(m+1, d) des Bildsignals.
Da das I-Signal und das Q-Signal hier Signalkomponenten sind, die durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 Quadratur-detektiert werden, enthalten sie unterschiedliche Phaseninformationen, selbst wenn die Spektralformen dieselben sind. Zum Beispiel sind in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und ν_c auf der positiven Seite Phasen des Bildsignals ν_B(m+1, d) des I-Signals und des Bildsignals ν_B(m+1, d) des Q-Signals wechselweise invertiert. Ähnlich sind in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und -v_c auf der negativen Seite Phasen des Schwebungssignals -ν_B(m, d) des I-Signals und des Schwebungssignals -ν_B(m, d) des Q-Signals wechselweise invertiert.
Wie in dem unteren Teil von 6 gezeigt ist, verstärken sich somit die Schwebungssignale der Frequenz ν_B(m, d) in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_c gegenseitig und heben sich die Bildsignale der Frequenz ν_B(m+1, d) gegenseitig auf, wenn der Frequenzanalyseteil 220 unter Verwendung des I-Signals und des Q-Signals I + jQ berechnet. Ähnlich verstärken sich in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und -v_c die Schwebungssignale mit der Frequenz -ν_B(m+1, d) gegenseitig und heben sich die Schwebungssignale mit der Frequenz -ν_B(m, d) gegenseitig auf.
Gemäß dem Frequenzanalyseergebnis des Frequenzanalyseteils 220 wird in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und ν_c ein Schwebungssignal für die Frequenz ν_B(m, d) beobachtet. Da die Messvorrichtung 100 das Bildsignal auf diese Weise aufheben kann, kann die Frequenz ν_B(m, d) des Schwebungssignals detektiert werden. Zum Beispiel gibt der Frequenzanalyseteil 220 als die Frequenz v_B(m, d) des Schwebungssignals eine Frequenz aus, bei der die Signalstärke des umgesetzten Frequenzsignals am höchsten ist.
Die durch die Messvorrichtung 100 gemessene Entfernung d ist hier durch Gleichung 6 ausgedrückt. Aus Gleichung 6 ist zu sehen, dass die Entfernungen d unter Verwendung dreier Frequenzen ν_c, ν_s und ν_B(m, d) berechnet werden können. Unter den drei Frequenzen kann ν_B(m, d) wie oben beschrieben detektiert werden. Da ν_c und ν_s die auf der Grundlage von in der Laservorrichtung 110 verwendeten Komponenten bestimmten Frequenzen sind, können ν_c und ν_s außerdem als feste Werte behandelt werden. Somit berechnet der Berechnungsteil 170 die Entfernung d unter Verwendung der durch den Umsetzungsteil 160 detektierten Frequenz ν_B(m, d) des Schwebungssignals und der vorgegebenen ν_c und ν_s.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Messvorrichtung 100 die Entfernung d von dem optischen Kopfteil 140 zu dem zu messenden Objekt 10 messen. In der Messvorrichtung 100 wie etwa oben kann die Messgenauigkeit verringert sein, da in Lichtempfangseinrichtungen wie etwa dem ersten fotoelektrischen Umsetzungsteil 154 und dem zweiten fotoelektrischen Umsetzungsteil 156 und in Messschaltungen wie etwa dem Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und dem Umsetzungsteil 160 elektrisches Rauschen überlagert sein kann. Um eine derartige Verringerung der Messgenauigkeit zu verhindern, ist es denkbar, die Ergebnisse mehrerer Messungen zu mitteln, wobei dies aber die Messzeit erhöhen würde und eine Verringerung des Durchsatzes verursachen kann.
[Mehrere Schwebungssignale]
Die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erweitert ein Beobachtungsband für Schwebungssignale, um mehrere in mehreren unterschiedlichen Bändern erzeugte Schwebungssignale zu messen. Wie in 4 gezeigt ist, mischt der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 das reflektierte Licht und das Referenzlicht, um mehrere Schwebungssignale v_B(m, d) mit unterschiedlichen Modennummern m zu erzeugen. Somit können durch Erweitern des Beobachtungsbands für die Schwebungssignale ν_B(m, d) des Umsetzungsteils 160 die bei unterschiedlichen Frequenzen erzeugten Schwebungssignale ν_B(m, d) beobachtet werden.
7 zeigt ein Beispiel der Frequenzinformationsausgabe durch den Umsetzungsteil 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Frequenzinformationen repräsentieren Informationen, die Signalfrequenzen und Signalpegel, die den jeweiligen Signalfrequenzen entsprechen, angeben. In 7 gibt die horizontale Achse die Frequenz an und gibt die vertikale Achse den Signalpegel an. 7 zeigt mehrere Schwebungssignale, nachdem mehrere Bildsignale durch die Quadraturdetektion aufgehoben worden sind. Die Schwebungssignale werden auf die folgende Weise beobachtet: ein Schwebungssignal für jedes der mehreren Bänder, deren Bandbreiten näherungsweise der Resonatorfrequenz v_c entsprechen. Die mehreren Bänder sind hier in der aufsteigenden Reihenfolge der Frequenz als das erste Band, das zweite Band, ..., und das k-te Band definiert und die Frequenz des Schwebungssignals in dem ersten Band ist als ν_B1 definiert, die Frequenz des Schwebungssignals in dem zweiten Band ist als ν_B2 definiert und die Frequenz des Schwebungssignals in dem k-ten Band ist als ν_Bk definiert.
Wenn die Messvorrichtung 100 von dem ersten bis zu dem k-ten Schwebungssignal k Schwebungssignale beobachtet, ist das Beobachtungsband k · v_c. In diesem Fall kann der Taktsignal-Zuführungsteil 210 dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 Taktsignale mit einer Frequenz gleich oder größer als 2k · v_c zuführen. Es ist zu sehen, dass wenigstens die Taktsignale eine Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonatorfrequenz ν_c aufweisen müssen, damit die Messvorrichtung 100 zwei oder mehr Schwebungssignale beobachtet.
Wie in 3 und 4 gezeigt ist, werden die mehreren Schwebungssignale an entsprechenden Frequenzpositionen in jeweiligen Bändern erzeugt. Zum Beispiel ist in einem Idealfall wie etwa, wenn die Entfernung d zwischen der Messvorrichtung 100 und dem zu messenden Objekt 10 konstant ist und das einem elektrischen Signal überlagerte Rauschen vernachlässigbar klein ist, die Frequenz ν_Bk des k-ten Schwebungssignals näherungsweise an die Frequenz ν_B1 des ersten Schwebungssignals angepasst, wenn von ihm (k - 1) · v_c subtrahiert wird. Auf diese Weise werden die mehreren Schwebungssignale im Idealfall mit näherungsweise konstanten Intervallen der Frequenz v_c erzeugt.
Somit führt die Messvorrichtung 100 Frequenzverschiebungen der mehreren Schwebungssignale um die entsprechenden Frequenzintervalle aus, setzt sie die Schwebungssignale in Signalkomponenten in demselben Frequenzband um und mittelt sie daraufhin die Signalkomponenten, wodurch sie den Einfluss von Rauschen verringert. Nachfolgend wird die Messvorrichtung 100 beschrieben.
[Konfigurationsbeispiel des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170]
8 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170, die in der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen sind. Da der in 8 gezeigte Umsetzungsteil 160 dieselbe Konfiguration wie der in 5 beschriebene Umsetzungsteil 160 aufweist, tragen Komponenten mit näherungsweise denselben Operationen wie in dem Umsetzungsteil 160 dieselben Bezugszeichen und sind ihre Beschreibungen weggelassen. Der Umsetzungsteil 160 und der Berechnungsteil 170, die in 8 gezeigt sind, sind in der Weise konfiguriert, dass die Messvorrichtung 100 ein Beobachtungsband von 2 · ν_c oder mehr aufweist.
Der Umsetzungsteil 160 tastet mehrere Schwebungssignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonatorfrequenz v_c des Laserresonators ab und setzt die Schwebungssignale in digitale Signale um. Das heißt, der Taktsignal-Zuführungsteil 210 führt dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 ein Taktsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonanzfrequenz v_c des Laserresonators zu. Der erste AD-Umsetzer 202 bzw. der zweite AD-Umsetzer 204 setzen analoge Signale in die I- und Q-Signale, die die digitalen Signale sind, die mehrere Schwebungssignale und mehrere Bildsignale enthalten, um. Da der Umsetzungsteil 160 die mehreren Schwebungssignale mit der Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonatorfrequenz v_c des Laserresonators abtastet und die Schwebungssignale in die digitalen Signale umsetzt, ist das Beobachtungsband für die Schwebungssignale viermal oder mehr erweitert. Im Ergebnis können aus einem Detektionsergebnis der Schwebungssignale digitale Signale erhalten werden, die vier oder mehr Messergebnisse der Entfernung d enthalten.
Es wird angemerkt, dass der erste Filterteil 162 und der zweite Filterteil 164 Signalkomponenten in einem Frequenzband, das größer oder gleich dem Zweifachen der Resonatorfrequenz v_c ist, durchlassen. Zum Beispiel gibt das Taktsignal-Zuführungsteil 210 ein Taktsignal mit einer Frequenz gleich oder größer als 2k · v_c aus und lassen der erste Filterteil 162 und der zweite Filterteil 164 Signalkomponenten in einem Frequenzband von 0 bis k · v_c durch.
Der Umsetzungsteil 160 enthält einen Frequenzumsetzungsteil 310. Der Frequenzumsetzungsteil 310 setzt die I- und Q-Signale, die die digitalen Signale sind, in Frequenzinformationen um. Der Frequenzumsetzungsteil 310 setzt die digitalen Signale z. B. unter Verwendung einer digitalen Fourier-Transformation oder dergleichen in Frequenzinformationen um. Der Frequenzumsetzungsteil 310 berechnet unter Verwendung der umgesetzten I- und Q-Signale I + jQ und gibt ein durch Aufheben der Bildsignale erhaltenes Berechnungsergebnis aus.
Der Berechnungsteil 170 berechnet auf der Grundlage der Frequenzdaten der durch den Frequenzumsetzungsteil 310 umgesetzten digitalen Signale die Entfernung d von der Messvorrichtung 100 zu dem zu messenden Objekt 10. Der Berechnungsteil 170 enthält einen Teilungsteil 172, einen Detektionsteil 174 und einen Entfernungsberechnungsteil 176.
Der Teilungsteil 172 teilt die durch den Frequenzumsetzungsteil 310 umgesetzten Frequenzinformationen in Frequenzinformationen, die mehreren Bändern mit einer vorgegebenen Bandbreite entsprechen. Zum Beispiel wird angenommen, dass der Teilungsteil 172 die Frequenzinformationen in erste Frequenzinformationen und zweite Frequenzinformationen teilt. Die ersten Frequenzinformationen enthalten (i) einen Abschnitt der Signalfrequenz, der durch die Frequenzinformationen vor der Teilung angegeben ist, und (ii) einen dieser Signalfrequenz entsprechenden Signalpegel. Die zweiten Frequenzinformationen enthalten (i) den verbleibenden Abschnitt der durch die Frequenzinformationen vor der Diffusion angegebenen Signalfrequenz und (ii) einen diesem verbleibenden Abschnitt des Signalfrequenz entsprechenden Signalpegel. Die durch den Teilungsteil 172 ausgeführte Teilung entspricht dem Erzeugen der oben erwähnten ersten Frequenzinformationen und zweiten Frequenzinformationen.
Der Teilungsteil 172 stellt die vorgegebene Bandbreite auf eine Bandbreite gleich oder kleiner als die Resonatorfrequenz v_c ein. Wie in dem Beispiel aus 8 als ein Beispiel gezeigt ist, teilt der Teilungsteil 172 die Frequenzinformationen durch eine Bandbreite, die näherungsweise an die Resonatorfrequenz v_c angepasst ist. Zum Beispiel teilt der Teilungsteil 172 die Frequenzinformationen unter der Annahme, dass die Frequenz des Taktsignals, das der Taktsignal-Zuführungsteil 210 ausgibt, 2f ist, durch eine ganze Zahl k, die die größte ganze Zahl unter fc/vc ist.
Der Detektionsteil 174 detektiert für jede der mehreren Einheiten geteilter Frequenzinformationen Frequenzpositionen der Schwebungssignale. Der Detektionsteil 174 detektiert z. B. Frequenzpositionen, an denen Signalpegel in jeweiligen Bändern maximiert sind, und stellt die detektierten Frequenzpositionen auf die Frequenzen ν_B1, ν_B2, ..., ν_Bk der mehreren Schwebungssignale ein.
Der Entfernungsberechnungsteil 176 berechnet auf der Grundlage der detektierten Frequenzpositionen der mehreren Schwebungssignale die Entfernung d von der Messvorrichtung 100 zu dem zu messenden Objekt 10. Zum Beispiel berechnet der Entfernungsberechnungsteil 176 jeweils die Entfernungen d von der Messvorrichtung 100 zu dem zu messenden Objekt 10 entsprechend den Frequenzpositionen der mehreren Schwebungssignale.
In diesem Fall berechnet der Entfernungsberechnungsteil 176 eine Entfernung d₁ von der Messvorrichtung 100 zu dem zu messenden Objekt 10, die der Frequenz ν_B1 entspricht. Außerdem berechnet der Entfernungsberechnungsteil 176 eine Entfernung d₂, die einer Frequenz (ν_B2 - v_c) entspricht, die durch Subtrahieren von v_c von der Frequenz ν_B2 erhalten wird. Ähnlich berechnet der Entfernungsberechnungsteil 176 eine Entfernung d_k, die einer Frequenz [ν_Bk - (k - 1) · v_c] entspricht, die durch Subtrahieren von (k - 1) · v_c von der Frequenz ν_Bk erhalten wird.
Daraufhin mittelt der Entfernungsberechnungsteil 176 die berechneten Entfernungen. Der Entfernungsberechnungsteil 176 gibt z. B. einen Wert, der durch Mitteln der Entfernungen d₁, d₂, ..., d_k erhalten wird, als die Entfernung d aus. Da die Messergebnisse mehrerer Entfernungen d gemittelt werden, kann die Messvorrichtung 100 den Einfluss des Rauschens im Ergebnis selbst dann verringern, wenn einem elektrischen Signal in den Lichtempfangseinrichtungen, in den Messschaltungen und dergleichen erzeugtes elektrisches Rauschen überlagert wird.
Da die Messvorrichtung 100 die mehreren Schwebungssignale durch Erweitern des Messbands detektiert, ist es außerdem möglich, die Berechnungsergebnisse einer Anzahl von Entfernungen d größer als die Anzahl der Messzeiten des Messstrahls zu erfassen. Zum Beispiel kann die Messvorrichtung 100 aus den detektierten Ergebnissen eines Schwebungssignals einen Durchschnittswert der Messergebnisse einer vorgegebenen Anzahl von Entfernungen d berechnen. Somit kann die Messvorrichtung 100 durch Verkürzen der Messzeit den Durchsatz verbessern, während die Messgenauigkeit verbessert wird.
In der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Beispiel beschrieben worden, in dem der Berechnungsteil 170 die Berechnungsergebnisse der mehreren Entfernungen d mittelt, wobei die Erfindung darauf aber nicht beschränkt ist. Die Messvorrichtung 100 kann die Entfernung d nach dem Mitteln entsprechender Frequenzen der Schwebungssignale berechnen.
In diesem Fall setzt der Entfernungsberechnungsteil 176 die entsprechenden Frequenzpositionen der mehreren durch den Detektionsteil 174 detektierten Schwebungssignale um. Der Entfernungsberechnungsteil 176 setzt die entsprechenden Frequenzpositionen ν_B1, (ν_B2 - v_c), ..., [ν_Bk - (k - 1) · v_c] in dem Beobachtungsband zwischen den Frequenzen 0 und v_c z. B. unter Verwendung der Frequenzen ν_B1, ν_B2, ..., ν_Bk der mehreren Schwebungssignale um.
Daraufhin mittelt der Entfernungsberechnungsteil 176 die umgesetzten Frequenzpositionen und berechnet eine Entfernung d, die diejenige von der Messvorrichtung 100 zu dem zu messenden Objekt 10 ist, die den gemittelten Frequenzpositionen entspricht. Selbst in einem derartigen Fall mittelt die Messvorrichtung 100 die detektierten Ergebnisse unterschiedlicher Schwebungssignale, selbst wenn einem elektrischen Signal in den Lichtempfangseinrichtungen, in den Messschaltungen und dergleichen erzeugtes elektrisches Rauschen überlagert wird, so dass die Messvorrichtung 100 den Einfluss des Rauschens verringern kann.
In der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Beispiele beschrieben worden, in denen der Berechnungsteil 170 die Berechnungsergebnisse der Entfernungen d oder die detektierten Ergebnisse der Schwebungssignale mittelt, wobei die vorliegende Ausführungsform aber nicht auf diese beschränkt ist. Die Messvorrichtung 100 kann die Spektren des Schwebungssignals teilen, um mehrere geteilte Spektren zu erzeugen, die mehreren geteilten Spektren überlagern und die Entfernungen d auf der Grundlage der überlagerten Spektren berechnen. Nachfolgend wird eine derartige Messvorrichtung 100 beschrieben.
[Variantenbeispiel des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170]
9 zeigt ein Variantenbeispiel des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170, die in der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen sind. Da der Umsetzungsteil 160 und der Berechnungsteil 170, die in 9 gezeigt sind, dieselben Konfigurationen wie der Umsetzungsteil 160 und der Berechnungsteil 170, die in 7 beschrieben sind, aufweisen, tragen Komponenten mit näherungsweise denselben Operationen dieselben Bezugszeichen und ist eine Beschreibung davon weggelassen. Der Berechnungsteil 170 des Variantenbeispiels enthält einen Teilungsteil 172, einen Integrationsteil 178, einen Detektionsteil 174 und einen Entfernungsberechnungsteil 176.
Der Teilungsteil 172 teilt die durch den Frequenzumsetzungsteil 310 umgesetzten Frequenzinformationen in Frequenzinformationen, die mehreren Bändern mit einer vorgegebenen Bandbreite entsprechen. Zum Beispiel teilt der Teilungsteil 172, wie in 7 gezeigt ist, die Frequenzinformationen in Frequenzinformationen, die k Bändern wie etwa einem ersten Band, einem zweiten Band, ..., und einem k-ten Band entsprechen.
Der Integrationsteil 178 setzt die mehreren Einheiten geteilter Frequenzinformationen in Frequenzinformationen, die einem vorgegebenen Frequenzband entsprechen, um. Der Integrationsteil 178 setzt die mehreren Einheiten geteilter Frequenzinformationen z. B. mit dem ersten Band als das vorgegebene Frequenzband in Frequenzinformationen, die dem ersten Band entsprechen, um. In diesem Fall subtrahiert der Integrationsteil 178 von der Frequenz des zweiten Bands v_c und verschiebt er sie in der Niederfrequenzrichtung. Außerdem subtrahiert der Integrationsteil 178 von der Frequenz des dritten Bands 2 · v_c und verschiebt er sie in der Niederfrequenzrichtung. Auf diese Weise subtrahiert der Integrationsteil 178 von der Frequenz des k-ten Bands (k - 1) · v_c und verschiebt er die Frequenz, die durch die k - 1 Einheiten von Frequenzinformationen angegeben ist, in der Niederfrequenzrichtung. Auf diese Weise setzt der Integrationsteil 178 die k Einheiten von Frequenzinformationen in Informationen, die dem ersten Band entsprechen, um.
Daraufhin integriert der Integrationsteil 178 die Signalpegel der mehreren Einheiten geteilter Frequenzinformationen für jede Frequenz. Da mehrere Schwebungssignale integriert werden, wird im Ergebnis der Signalpegel näherungsweise an derselben Frequenzposition im Idealfall zu dem größten Wert. Wenn Rauschen oder dergleichen auftritt, wird einem derartigen Schwebungssignal ein Pegel von weißem Rauschen überlagert. Während die Anzahl k zu integrierender Bänder zunimmt, wird eine derartige Rauschkomponente geglättet, um zu einem näherungsweise konstanten Wert zu werden, so dass die Schwankung einer Spitzenfrequenz des Schwebungssignals wegen Rauschen unterdrückt wird.
Der Detektionsteil 174 detektiert in den integrierten Frequenzinformationen die Frequenzpositionen der Schwebungssignale. Der Detektionsteil 174 detektiert z. B. eine Frequenzposition, bei der der Signalpegel in dem ersten Band maximiert wird, und stellt die detektierte Frequenzpositionen als die Frequenz ν_B des Schwebungssignals ein.
Der Entfernungsberechnungsteil 176 berechnet auf der Grundlage der Frequenzposition ν_B des detektierten Schwebungssignals die Entfernung d von der Messvorrichtung 100 zu dem zu messenden Objekt 10. Wie oben beschrieben wurde, kann die Messvorrichtung 100 die Beobachtungsergebnisse von Schwebungssignalen in mehreren Bändern integrieren, um die zu überlagernden Rauschkomponenten zu mitteln, wodurch der Einfluss des Rauschens verringert wird. Außerdem kann die Messvorrichtung 100 des Variantenbeispiels durch Verkürzen der Messzeit den Durchsatz verbessern.
Die oben beschriebene Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mittelt oder überlagert die Signalkomponenten auf der Grundlage der mehreren beobachteten Schwebungssignale, um den Einfluss von Rauschen zu verringern, wobei die vorliegende Ausführungsform darauf aber nicht beschränkt ist. Die Messvorrichtung 100 kann so konfiguriert sein, dass sie zwischen (i) einer Operation, in der die Mittelungsverarbeitung nicht ausgeführt wird, und (ii) einer Operation, in der die Mittelungsverarbeitung ausgeführt wird, schaltbar ist.
In diesem Fall ist z. B. der Taktsignal-Zuführungsteil 210 in der Weise vorgesehen, dass er die Frequenz des zuzuführenden Taktsignals als Reaktion auf eine Benutzereingabe oder dergleichen schaltet. Der Umsetzungsteil 160 ist in der Weise vorgesehen, dass er in der Lage ist, zwischen dem Frequenzanalyseteil 220 und dem Frequenzumsetzungsteil 310 zu schalten. Alternativ kann der Frequenzanalyseteil 220 als Reaktion auf die Benutzereingabe oder dergleichen zwischen einer Frequenzanalyseoperation und einer Frequenzumsetzungsoperation schalten. Ähnlich schaltet der Berechnungsteil 170 als Reaktion auf die Benutzereingabe oder dergleichen zwischen (i) der Operation, in der die Mittelungsverarbeitung nicht ausgeführt wird, und (ii) der Operation, in der die Mittelungsverarbeitung ausgeführt wird.
Dadurch kann die Messvorrichtung 100 die Verarbeitung in Übereinstimmung mit der durch den Benutzer gewünschten Messgenauigkeit oder dergleichen schalten und somit das Messergebnis innerhalb einer geeigneten Verarbeitungszeit ausgeben. Ferner kann die Messvorrichtung 100 in der Weise konfiguriert sein, dass sie in der Lage ist, das Beobachtungsband als Reaktion auf die Anforderung eines Benutzers oder dergleichen zu schalten. Da die Messvorrichtung 100 die Anzahl k von Schwebungssignalen für die Mittelung ändern kann, kann die Verarbeitung in diesem Fall gemäß der geforderten Messgenauigkeit feiner eingestellt werden.
In der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist oben das Beispiel beschrieben worden, in dem der Taktsignal-Zuführungsteil 210 dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 das Taktsignal mit der Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonanzfrequenz v_c des Laserresonators zuführt, wobei die vorliegende Erfindung darauf aber nicht beschränkt ist. Zum Beispiel kann eine externe Signalerzeugungsvorrichtung dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 des Umsetzungsteils 160 ein Taktsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonanzfrequenz v_c des Laserresonators zuführen. Alternativ kann die Messvorrichtung 100 aus dem von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl ein Taktsignal erzeugen. Nachfolgend wird eine derartige Messvorrichtung 100 beschrieben.
10 zeigt ein Variantenbeispiel der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit dem zu messenden Objekt 10. In diesem Fall enthält die Messvorrichtung 100 ferner einen Extraktionsteil. In der Messvorrichtung 100 gemäß dem Variantenbeispiel tragen Operationen, die näherungsweise dieselben wie jene der in 1 gezeigten Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind, dieselben Bezugszeichen und sind ihre Beschreibungen weggelassen. Die Messvorrichtung 100 enthält ferner einen Extraktionsteil 320.
Wie in 3 und 4 beschrieben ist, gibt die Laservorrichtung 110 den frequenzmodulierten Laserstrahl mit den Frequenzen der mehreren Längsmoden aus, die in Frequenzintervallen angeordnet sind, die näherungsweise an die Resonanzfrequenz v_c angepasst sind. Somit enthält das elektronische Signal, das der frequenzmodulierte Laserstrahl ist, der sich aus einer fotoelektrischen Umsetzung ergibt, eine Signalkomponente mit der Resonanzfrequenz v_c. Der Extraktionsteil 320 extrahiert die Signalkomponente, die dem frequenzmodulierten Laserstrahl, der von der Laservorrichtung 110 ausgegeben wird und der Resonatorfrequenz v_c des Laserresonators entspricht, überlagert wird. Es wird angemerkt, dass der Verzweigungsteil 120 z. B. ein Ein-Eingang-Drei-Ausgänge-Faseroptikkoppler ist. Alternativ kann der Verzweigungsteil 120 eine Kombination von zwei Ein-Eingang-Zwei-Ausgänge-Optokopplern sein.
Der Extraktionsteil 320 enthält z. B. einen fotoelektrischen Umsetzungsteil und einen Filterteil. Der fotoelektrische Umsetzungsteil setzt den von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl in ein elektronisches Signal um. Unter den durch den fotoelektrischen Umsetzungsteil umgesetzten elektrischen Signalen lässt der Filterteil Signalkomponenten mit der Resonatorfrequenz v_c des Laserresonators durch. Der Filterteil weist z. B. ein Hochpassfilter und/oder ein Tiefpassfilter und/oder ein Bandpassfilter und/oder ein Bandsperrfilter auf. Der Extraktionsteil führt die extrahierten Signalkomponenten mit den Resonatorfrequenzen v_c dem Taktsignal-Zuführungsteil 210 zu.
In diesem Fall erzeugt der Taktsignal-Zuführungsteil 210 auf der Grundlage der empfangenen Signalkomponente ein Taktsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonanzfrequenz v_c des Laserresonators. Der Taktsignal-Zuführungsteil 210 kann z. B. einen Frequenzmultiplizierer enthalten. Alternativ kann der Taktsignal-Zuführungsteil 210 eine PLL-Schaltung enthalten, die eine Frequenz der empfangenen Signalkomponenten als eine Referenzfrequenz verwendet und das Frequenzsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Referenzfrequenz als ein Taktsignal ausgibt. Wie oben beschrieben wurde, kann die Schaltung, die einen Frequenzoszillator oder dergleichen enthält, weggelassen sein, wenn die Messvorrichtung 100 das Taktsignal aus dem von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl erzeugt, so dass die Konfiguration der Messvorrichtung 100 vereinfacht sein kann.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Teil des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170, die in der Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen sind, durch eine integrierte Schaltung oder dergleichen gebildet sind. Wenigstens ein Teil des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170 enthält z. B. eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA), einen digitalen Signalprozessor (DSP) und/oder eine Zentraleinheit (CPU).
Wenn wenigstens ein Teil des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170 durch einen Computer oder dergleichen gebildet ist, enthält der Teil eine Speichereinheit und eine Steuereinheit. Die Speichereinheit enthält z. B. einen Nur-Lese-Speicher (ROM), der ein Basis-Eingabe/Ausgabe-System (BIOS) oder dergleichen eines Computers oder dergleichen, der den Umsetzungsteil 160 und den Berechnungsteil 170 verwirklicht, speichert, und einen Schreib-Lese-Speicher (RAM), der als ein Arbeitsbereich dient. Die Speichereinheit kann ein Betriebssystem (OS), Programme, Anwendungen und/oder verschiedene Informationen speichern. Die Speichereinheit kann eine Einrichtung mit hoher Speicherkapazität wie etwa ein Festplattenlaufwerk (HDD) und/oder ein Festkörperlaufwerk (SSD) enthalten.
Die Steuereinheit ist ein Prozessor wie etwa eine CPU und fungiert durch Ausführen in der Speichereinheit gespeicherter Programme wenigstens als ein Teil des Umsetzungsteils 160 und des Berechnungsteils 170. Die Steuereinheit kann eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) oder dergleichen enthalten.
Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Der technische Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den in den obigen Ausführungsformen erläuterten Schutzumfang beschränkt und es ist möglich, in dem Schutzumfang der Erfindung verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorzunehmen. Zum Beispiel kann die gesamte Vorrichtung oder ein Teil davon mit irgendeiner Einheit konfiguriert sein, die funktional oder physisch verteilt oder integriert ist. Ferner sind in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung neue beispielhafte Ausführungsformen, die durch beliebige Kombinationen von ihnen erzeugt werden, enthalten. Ferner weisen Wirkungen der neuen Ausführungsform, die durch die Kombinationen hervorgebracht wird, ebenfalls die Wirkung der ursprünglichen beispielhaften Ausführungsform zusammen auf.
Bezugszeichenliste

10: zu messendes Objekt
100: Messvorrichtung
110: Laservorrichtung
112: Frequenzschieber
114: Verstärkungsmedium
116: WDM-Koppler
117: Pumplichtquelle
118: Ausgangskoppler
120: Verzweigungsteil
130: optischer Zirkulator
140: optischer Kopfteil
150: Schwebungssignal-Erzeugungsteil
152: optischer 90-Grad-Hybrid
154: erster fotoelektrischer Umsetzungsteil
156: zweiter fotoelektrischer Umsetzungsteil
160: Umsetzungsteil
162: erster Filterteil
164: zweiter Filterteil
170: Berechnungsteil
172: Teilungsteil
174: Detektionsteil
176: Entfernungsberechnungsteil
178: Integrationsteil
180: Anzeigeteil
202: erster AD-Umsetzer
204: zweiter AD-Umsetzer
210: Taktsignal-Zuführungsteil
220: Frequenzanalyseteil
310: Frequenzumsetzungsteil
320: Extraktionsteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3583906 [0002]

Claims

Messvorrichtung (100) zum Messen einer Entfernung zu einem zu messenden Objekt (10), wobei die Messvorrichtung umfasst: eine Laservorrichtung (110), die einen Laserresonator aufweist und einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden ausgibt; einen Verzweigungsteil (120), der einen Teil des durch die Laservorrichtung (110) ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahls als Referenzlicht und wenigstens etwas des verbleibenden Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als Messlicht verzweigt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil (150), der durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt (10) reflektiert wird, mehrere Schwebungssignale erzeugt; einen Umsetzungsteil (160), der die mehreren Schwebungssignale durch Abtasten der Schwebungssignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen einer Resonatorfrequenz des Laserresonators in digitale Signale umsetzt; und einen Berechnungsteil (170), der auf der Grundlage der digitalen Signale eine Entfernung von der Messvorrichtung (100) zu dem zu messenden Objekt (10) berechnet.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Umsetzungsteil (160) einen Frequenzumsetzungsteil (310), der die digitalen Signale in Frequenzinformationen umsetzt, enthält und der Berechnungsteil (170) enthält: einen Teilungsteil (172), der die durch den Frequenzumsetzungsteil (310) umgesetzten Frequenzinformationen in Frequenzinformationen teilt, die mehreren Bändern mit einer vorgegebenen Bandbreite entsprechen; einen Detektionsteil (174), der für jedes von mehreren Einheiten geteilter Frequenzinformationen eine Frequenzposition eines Schwebungssignals detektiert; und einen Entfernungsberechnungsteil (176), der auf der Grundlage der detektierten Frequenzpositionen der mehreren Schwebungssignale die Entfernung von der Messvorrichtung (100) zu dem zu messenden Objekt (10) berechnet.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei der Entfernungsberechnungsteil (176) jeweils Entfernungen von der Messvorrichtung (100) zu dem zu messenden Objekt (10) berechnet, die den Frequenzpositionen der mehreren Schwebungssignale entsprechen, und mehrere der berechneten Entfernungen mittelt.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei der Entfernungsberechnungsteil (176) entsprechende Frequenzpositionen der mehreren Schwebungssignale umsetzt, die umgesetzten Frequenzpositionen mittelt und eine Entfernung von der Messvorrichtung zu dem zu messenden Objekt (10), die den gemittelten Frequenzpositionen entspricht, berechnet.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Umsetzungsteil (160) einen Frequenzumsetzungsteil (310) enthält, der die digitalen Signale in Frequenzinformationen umsetzt, und wobei der Berechnungsteil (170) enthält: einen Teilungsteil (172), der die durch den Frequenzumsetzungsteil (310) umgesetzten Frequenzinformationen in mehrere Einheiten von Frequenzinformationen teilt, die mehreren Bändern mit einer vorgegebenen Bandbreite entsprechen; einen Integrationsteil (178), der mehrere Einheiten geteilter Frequenzinformationen in Frequenzinformationen, die einem vorgegebenen Frequenzband entsprechen, umsetzt und daraufhin Signalpegel für jede Frequenz integriert; einen Detektionsteil (174), der eine Frequenzposition des Schwebungssignals der integrierten Frequenzinformationen detektiert; und einen Entfernungsberechnungsteil (176), der auf der Grundlage der detektierten Frequenzposition des Schwebungssignals die Entfernung von der Messvorrichtung (100) zu dem zu messenden Objekt (10) berechnet.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Teilungsteil (172) die vorgegebene Bandbreite auf eine Bandbreite v_c, die dieselbe wie die Resonatorfrequenz ist, einstellt, und der Integrationsteil (178) ein erstes Band von der niedrigsten Frequenz der mehreren Einheiten geteilter Frequenzinformationen auf das eine entsprechende Frequenzband einstellt, k - 1 Einheiten von Frequenzinformationen in Richtung niedrigerer Frequenz verschiebt, um Frequenzinformationen des ersten Bands durch Subtrahieren von (k - 1) · v_c von einer Frequenz eines k-ten Bands umzusetzen, und daraufhin Signalpegel für jede Frequenz integriert, wobei das k-te Band ein nachfolgendes k-tes Band nach dem ersten Band ist.
Messvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Teilungsteil (172) die vorgegebene Bandbreite auf eine Bandbreite gleich oder kleiner als die Resonatorfrequenz einstellt.
Messvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner umfasst: einen Extraktionsteil (320), der eine Signalkomponente, die dem frequenzmodulierten Laserstrahl, der von der Laservorrichtung (110) ausgegebenen wird und der Resonatorfrequenz des Laserresonators entspricht, überlagert ist, extrahiert, wobei der Umsetzungsteil (160) ferner einen Taktsignal-Zuführungsteil (210) enthält, der auf der Grundlage der Signalkomponente ein Taktsignal mit der Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Resonanzfrequenz des Laserresonators erzeugt.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei der Taktsignal-Zuführungsteil (210) eine PLL-Schaltung enthält, die eine Frequenz der Signalkomponente als eine Referenzfrequenz verwendet und ein Frequenzsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen der Referenzfrequenz als ein Taktsignal ausgibt.
Messverfahren einer Messvorrichtung (100) zum Messen einer Entfernung zu einem zu messenden Objekt (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ausgeben eines frequenzmodulierten Laserstrahls mit mehreren Moden von einer Laservorrichtung (110) mit einem Laserresonator; Verzweigen eines Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als Referenzlicht und wenigstens etwas des verbleibenden Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als Messlicht; Erzeugen mehrerer Schwebungssignale durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt (10) reflektiert wird; Umsetzen der mehreren Schwebungssignale in digitale Signale durch Abtasten der Schwebungssignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Vierfachen einer Resonatorfrequenz des Laserresonators; und Berechnen einer Entfernung von der Messvorrichtung (100) zu dem zu messenden Objekt (10) auf der Grundlage der digitalen Signale.