DE102022102743A1

DE102022102743A1 - Messvorrichtung und messverfahren

Info

Publication number: DE102022102743A1
Application number: DE102022102743.0A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Ujihara
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2022-08-25
Also published as: CN115032622A; US20220268931A1; JP2022128698A

Abstract

Eine Messvorrichtung (100, 300) enthält: eine Laservorrichtung (110), die einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden einer Hauptkeule ausgibt; einen Verzweigungsteil (120), der den frequenzmodulierten Laserstrahl in ein Referenzlicht, ein Messlicht und ein Überwachungslicht teilt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil (150), der durch Mischen des Referenzlichts und eines reflektierten Lichts, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt (10) reflektiert wird, ein Schwebungssignal erzeugt; einen Extraktionsteil (310), der aus dem Überwachungslicht eine Signalkomponente extrahiert, die mehrere Schwebungssignale enthält; einen Identifizierungsteil (320), der eine Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums identifiziert; und einen Berechnungsteil (180), der auf der Grundlage der Hohlraumfrequenz und des Schwebungssignals eine Differenz zwischen Ausbreitungsentfernungen zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht berechnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Messvorrichtung und auf ein Messverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Laser mit frequenzverschobener Rückkopplung (FSFL), der in einem Hohlraum (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). Außerdem ist als ein Frequenzschieber ein optischer Einseitenbandmodulator (SSB-Modulator) bekannt (siehe z. B. Patentdokument 2, die Patentschrift des japanischen Patents Nr. 3867148 , und Patentdokument 3, die Patentschrift des japanischen Patents Nr. 4524482 ).
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 Konstruktions- und Produktionsstandorten verwendet. Da sich eine Hohlraumlänge wegen Umgebungsschwankungen wie etwa der Temperatur ändern kann, verursachte der FSFL gelegentlich eine Verringerung der Messgenauigkeit des optischen Entfernungsmessers. Um die Verringerung der Messgenauigkeit zu verhindern, ist es denkbar, eine Hohlraumfrequenz (Resonatorfrequenz) mehrfach zu messen, wobei aber in diesem Fall der Durchsatz verringert wird, da die Messzeitdauer länger wird.
Die vorliegende Offenbarung wurde angesichts dieses Punkts gemacht und es ist ihre Aufgabe, die Messung einer Entfernung mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen, während die Verringerung des Durchsatzes in dem optischen Entfernungsmesser unterdrückt wird.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung schafft eine Messvorrichtung, die enthält: eine Laservorrichtung mit einem Frequenzschieber in einem optischen Hohlraum, der einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden einer Hauptkeule ausgibt; einen Verzweigungsteil, der den von der Laservorrichtung ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl in ein Referenzlicht, ein Messlicht und ein Überwachungslicht teilt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil, der durch Mischen des Referenzlichts und eines reflektierten Lichts, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt reflektiert wird, ein Schwebungssignal erzeugt; einen Extraktionsteil, der auf der Grundlage der Hauptkeule von einem durch Umsetzen des Überwachungslichts erzeugten elektrischen Signal eine Signalkomponente, die mehrere Eigenschwebungssignale enthält, extrahiert; einen Identifizierungsteil, der auf der Grundlage der durch den Extraktionsteil extrahierten Signalkomponente eine Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums identifiziert; und einen Berechnungsteil, der auf der Grundlage der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums, die durch den Identifizierungsteil identifiziert wird, und des Schwebungssignals eine Differenz zwischen Ausbreitungsentfernungen des Referenzlichts und des Messlichts berechnet.
Der Extraktionsteil kann einen fotoelektrischen Umsetzungsteil, der das Überwachungslicht in das elektrische Signal umsetzt, und einen Filterteil, der innerhalb des elektrischen Signals Signalkomponenten, die eine Frequenz wenigstens größer oder gleich dem Zweifachen der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums enthalten, durchlässt, enthalten.
Unter der Annahme, dass die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums v_c ist, eine Ordnung größer als oder gleich 2 der Eigenschwebungssignale auf der Grundlage der Hauptkeule n_c ist und eine Spitzenfrequenz des n_c-ten Eigenschwebungssignals v_c(n_c) ist, kann der Identifizierungsteil die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums unter Verwendung der folgenden Gleichung identifizieren: $ν_{c} = \frac{ν_{c} (n_{c})}{n_{c}}$
Der Frequenzschieber ist ein optischer SSB-Modulator, der in dem optischen Hohlraum eine Nebenkeule erzeugt, die Laservorrichtung kann den frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden der Hauptkeule und der Nebenkeule ausgeben und der Extraktionsteil kann auf der Grundlage der Nebenkeule von dem durch Umsetzen des Überwachungslichts erzeugten elektrischen Signal die Signalkomponente, die Eigenschwebungssignale enthält, extrahieren.
Der Extraktionsteil kann einen fotoelektrischen Umsetzungsteil, der das Überwachungslicht in das elektrische Signal umsetzt, und einen Filterteil, der innerhalb des elektrischen Signals Signalkomponenten, die kleiner als die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums sind, durchlässt, enthalten.
Unter der Annahme, dass die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums v_c ist, eine Verschiebungsfrequenz des Frequenzschiebers v_s ist, eine Ordnung des Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule n_c ist, die Verschiebungsordnung des Frequenzschiebers n_s ist und eine Spitzenfrequenz, die in der durch den Extraktionsteil extrahierten Signalkomponente enthalten ist, v_cs(n_s, n_c) ist, kann der Identifizierungsteil die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums unter Verwendung der folgenden Gleichung identifizieren: $ν_{c} = \frac{ν_{c s} (n_{s}, n_{c})}{n_{c}} - \frac{n_{s}}{n_{c}} ν_{s}$
Der Absolutwert der Ordnung n_c des Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule kann gleich oder größer als 2 sein.
Die Ordnung n_c des Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule kann der folgenden Gleichung genügen: $n_{c} = ceil (- n_{s} \frac{ν_{s}}{ν_{c}}),$
wobei ceil() eine Funktion ist, die das Bilden der Obergrenze, d. h. das Aufrunden, repräsentiert.
Der Berechnungsteil kann eine Differenz d der Ausbreitungsentfernungen zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht mit der folgenden Gleichung berechnen: $d = \frac{c}{2 ν_{s} ν_{c}} [ν_{B} (m, d) + m ν_{c}],$
wobei eine Frequenz v_B(m,d) des Schwebungssignals verwendet wird, die durch Frequenzanalysieren des Schwebungssignals erhalten wird, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und m ein Intervall der Längsmodennummern des frequenzmodulierten Laserstrahls ist.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung schafft ein Messverfahren, das die folgenden Schritte enthält: Ausgeben eines frequenzmodulierten Laserstrahls mit mehreren Moden einer Hauptkeule von einer Laservorrichtung mit einem Frequenzschieber in einem optischen Hohlraum; Teilen des frequenzmodulierten Laserstrahls in ein Referenzlicht, ein Messlicht und ein Überwachungslicht; Erzeugen eines Schwebungssignals durch Mischen des Referenzlichts und eines reflektierten Lichts, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt reflektiert wird; Umsetzen des Überwachungslichts in ein elektrisches Signal; Extrahieren einer Signalkomponente, die mehrere Eigenschwebungssignale enthält, auf der Grundlage einer Hauptkeule von dem elektrischen Signal; Identifizieren einer Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums auf der Grundlage der extrahierten Signalkomponente; und Berechnen einer Differenz zwischen Ausbreitungsentfernungen des Referenzlichts und des Messlichts auf der Grundlage der identifizierten Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums und des Schwebungssignals.
Der Frequenzschieber kann ein optischer SSB-Modulator sein, der in dem optischen Hohlraum eine Nebenkeule erzeugt, und das Ausgeben des frequenzmodulierten Laserstrahls kann das Ausgeben des frequenzmodulierten Laserstrahls mit mehreren Moden der Hauptkeule und der Nebenkeule enthalten und das Extrahieren der Signalkomponente kann das Extrahieren der Signalkomponente, die Eigenschwebungssignale enthält, auf der Grundlage der Nebenkeule von dem elektrischen Signal enthalten.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine Wirkung erzielt werden, dass die Messung einer Entfernung mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird, während eine Verringerung des Durchsatzes in dem optischen Entfernungsmesser unterdrückt 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 eines durch die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform detektierten Schwebungssignals, (ii) einer Entfernung d zwischen dem 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 einer Quadraturdetektion durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und durch den Umsetzungsteil 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
7 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines Hohlraumfrequenz-Extraktionsteils 170 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
8 zeigt ein Konfigurationsbeispiel der Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit dem zu messenden Objekt 10.
9 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines Extraktionsteils 310 und eines Identifizierungsteils 320 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
10 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines optischen SSB-Modulators 30 und eines Steuerteils 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
11 zeigt ein Beispiel einer Lichtspektrumausgabe von dem optischen SSB-Modulator 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
12 zeigt ein Beispiel einer Laserstrahlausgabe von der Laservorrichtung 110 mit dem in 10 gezeigten optischen SSB-Modulator 30.
13 zeigt ein erstes Beispiel eines Eigenschwebungsspektrums der Laserstrahlausgabe von der Laservorrichtung 110 mit dem in 10 gezeigten optischen SSB-Modulator 30.
14 zeigt ein zweites Beispiel des Eigenschwebungsspektrums der Laserstrahlausgabe von der Laservorrichtung 110 mit dem in 10 gezeigten optischen SSB-Modulator 30.
15 zeigt ein drittes Beispiel des Eigenschwebungsspektrums der Laserstrahlausgabe von der Laservorrichtung 110 mit dem in 10 gezeigten optischen SSB-Modulator 30.
16 zeigt ein Beispiel von Bedingungen von n_S, bei denen der Absolutwert von n_C gleich oder größer als 2 ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[Konfigurationsbeispiel einer 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 eines 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 Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170, einen Berechnungsteil 180 und einen Anzeigeteil 190.
Die Laservorrichtung 110 weist einen optischen Hohlraum (Laserresonator) auf und gibt einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden aus. Die Laservorrichtung 110 ist in einem Hohlraum (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 teilt den von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl mit einem Teil von ihm als ein Referenzlicht und wenigstes etwas von dem verbleibenden Teil von ihm als ein Messlicht. Der Verzweigungsteil 120 teilt den von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl z. B. in das Referenzlicht, das Messlicht und ein Überwachungslicht. Der Verzweigungsteil 120 ist z. B. ein Ein-Eingang-Drei-Ausgänge-Faseroptikkoppler. In dem Beispiel aus 1 führt der Verzweigungsteil 120 das Messlicht dem optischen Zirkulator 130, das Referenzlicht dem Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und das Überwachungslicht dem Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 zu. 1 zeigt ein Beispiel, in dem der Verzweigungsteil 120 der Ein-Eingang-Drei-Ausgänge-Optikkoppler ist, wobei der Verzweigungsteil 120 aber alternativ eine Kombination zweier Ein-Eingang-Zwei-Ausgänge-Optikkoppler sein kann.
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 ein 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 einer 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 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 Fokussierungslinse 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 an der Oberfläche des zu messenden Objekts 10 reflektiert wird. Der optische Kopfteil 140 fokussiert das empfangene reflektierte Licht unter Verwendung der Fokussierungslinse auf eine Lichtleitfaser und führt das Licht dem optischen Zirkulator 130 zu. Außerdem kann der optische Kopfteil 140 in diesem Fall eine gemeinsame Fokussierungslinse enthalten und kann die Fokussierungslinse 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 durch Ausstrahlen des Messlichts auf das zu messende Objekt 10 reflektiert wird. 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 läuft, 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 mit Verlauf der Zeit linear ändert, tritt zwischen der Schwingungsfrequenz des Referenzlichts und der Schwingungsfrequenz des reflektierten Lichts eine Frequenzdifferenz auf, die von einer der Differenz der Ausbreitungsentfernung entsprechenden Ausbreitungsverzögerung abhängt. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt ein Schwebungssignal, das einer derartigen Frequenzdifferenz entspricht.
Der Umsetzungsteil 160 führt an dem durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugten Schwebungssignal eine Frequenzanalyse aus, um die Frequenz des Schwebungssignals zu detektieren. Die Frequenzen der Schwebungssignale sind hier als v_B definiert.
Der Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 extrahiert eine Signalkomponente, die der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums entspricht und der frequenzmodulierten Laserstrahlausgabe von der Laservorrichtung 110 überlagert ist. Zum Beispiel extrahiert der Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 aus Signalkomponenten, die in dem frequenzmodulierten Laserstrahl enthalten sind, auf der Grundlage des Überwachungslichts eine Signalkomponente der Frequenz gleich der Hohlraumfrequenz, die der Hohlraumlänge der Laservorrichtung 110 entspricht. Die Hohlraumfrequenz ist hier als v_c definiert.
Der Berechnungsteil 180 berechnet auf der Grundlage eines Detektionsergebnisses des Umsetzungsteils 160 und eines Extraktionsergebnisses des Hohlraumfrequenz-Extraktionsteils 170 eine Differenz zwischen Ausbreitungsentfernungen des Referenzlichts und des Messlichts. Zum Beispiel berechnet der Berechnungsteil 180 die Entfernung d von dem optischen Kopfteil 140 zu dem zu messenden Objekt 10 auf der Grundlage der Frequenz v_B des Schwebungssignals und der Hohlraumfrequenz Vc.
Der Anzeigeteil 190 zeigt das Berechnungsergebnis des Berechnungsteils 180 an. Der Anzeigeteil 190 kann eine Anzeige oder dergleichen enthalten, um das Berechnungsergebnis anzuzeigen. Außerdem kann der Anzeigeteil 190 das Berechnungsergebnis in einer Speichereinheit oder dergleichen speichern. Der Anzeigeteil 190 kann das Berechnungsergebnis über ein Netz oder dergleichen einer externen Einrichtung 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 in dem optischen Hohlraum einen Frequenzschieber und versetzt einen Laserstrahl in dem optischen Hohlraum in Schwingungen. Die Laservorrichtung 110 enthält einen Frequenzschieber 112, ein Verstärkungsmedium 114, einen WDM-Koppler 116, eine Pumplichtquelle 117 und einen Ausgangskoppler 118.
Der Frequenzschieber 112 verschiebt eine Frequenz von auszugebendem Licht um eine näherungsweise konstante Frequenz. Der Frequenzschieber 112 ist z. B. ein akustooptischer Frequenzschieber (AOFS) mit akustooptischen Elementen. Der Betrag der Frequenzverschiebung durch den Frequenzschieber 112 ist hier als +v_s definiert. Das heißt, der Frequenzschieber 112 verschiebt die Frequenz des um den Hohlraum umlaufenden Lichts, um die Frequenz für jede Runde um v_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 Hohlraum 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 Hohlraum. Vorzugsweise enthält die Laservorrichtung 110 ferner einen Isolator in dem Hohlraum. Außerdem kann die Laservorrichtung 110 ein optisches Bandpassfilter aufweisen, das Licht eines vorgegebenen Wellenlängenbands in dem Hohlraum durchlässt. Im Folgenden sind die Frequenzeigenschaften des von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Laserstrahls beschrieben.
3 zeigt ein Beispiel der Laserstrahlausgabe von der Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die in 3 gezeigte Laserstrahlausgabe durch die Laservorrichtung 110 wird als eine Hauptkeule bezeichnet. 3 zeigt links ein Lichtspektrum der Laserstrahlausgabe von der Laservorrichtung 110 zu dem Zeitpunkt t₀. 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 Längsmoden der Hauptkeule sind näherungsweise in konstanten Frequenzintervallen angeordnet. Es wird angenommen, dass τ_RT (= 1/v_c) die Zeit bezeichnet, damit Licht einmal in dem Hohlraum hin- und herläuft, wobei die Längsmoden der Hauptkeule, wie durch die folgende Gleichung dargestellt ist, in Intervallen von 1/τ_RT (= v_c) angeordnet sind. Es wird angemerkt, dass v₀ die Anfangsfrequenz des Lichtspektrums zu dem Zeitpunkt t₀ ist. $ν_{q} = (t_{0}) = ν_{0} + \frac{q}{τ_{R T}}$
3 zeigt rechts Änderungen der Frequenzen der Längsmoden der von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Hauptkeule im Zeitverlauf. 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 der von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Hauptkeule im Zeitverlauf und zeigt auf der linken Seite eine Momentanfrequenz des Laserstrahls zu dem Zeitpunkt t₀.
Jedes Mal, wenn das Licht in dem Hohlraum in der Laservorrichtung 110 hin- und herläuft, erhöht der Frequenzschieber 112 die Frequenz des Lichts, das in dem Hohlraum hin- und herläuft, um v_s. Das heißt, da die Frequenz jeder der Moden für jedes Verstreichen von τ_RT um v_s zunimmt, wird die Änderungsrate der Frequenz dv/dt (d. h. die Chirprate) näherungsweise gleich v_s/τ_RT. Somit ändern sich die Längsmoden der durch Gleichung 1 dargestellten Hauptkeule im Verlauf der Zeit t, wie in der folgenden Gleichung gezeigt ist. $ν_{q} (t) = ν_{0} + \frac{ν_{s}}{τ_{R T}} t + \frac{q}{τ_{R T}}$
[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 mit 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, die zu einer Zeitdauer Δt früher als der Zeitpunkt t ist, angepasst, und kann somit durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. $ν_{q} (t - Δ t) = ν_{0} + \frac{ν_{s}}{τ_{R T}} (t - Δ t) + \frac{q}{τ_{R T}}$
Andererseits kann das Referenzlicht zum Zeitpunkt t auf ähnliche Weise wie mit Gleichung 2 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. Das Referenzlicht ist hier v_q'(t). $ν_{q'} (t) = ν_{0} + \frac{ν_{s}}{τ_{R T}} t + \frac{q'}{τ_{R T}}$
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. Es wird angemerkt, dass m ein Intervall (eine Differenz zwischen den Längsmodennummern des Messlichts und den Längsmodennummern des Referenzlichts) der Längsmodennummern (= q-q') ist und dass Δt = 2d/c ist. $ν_{B} (m, d) = ν_{q'} (t) - ν_{q} (t - Δ t) = \frac{ν_{s}}{τ_{R T}} \cdot \frac{2 d}{c} - \frac{m}{τ_{R T}}$
Aus Gleichung 5 wird die Entfernung d durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Hier ist 1/τ_RT = v_c. $d = \frac{c}{2 ν_{s} ν_{c}} {ν_{B} (m, d) + m ν_{c}}$
Aus Gleichung 6 ist zu verstehen, dass die Entfernung d durch Bestimmen der Differenz m der Längsmodennummern aus einem Frequenzbeobachtungsergebnis des Schwebungssignals berechnet werden kann. Es wird angemerkt, dass die Differenz m durch Detektieren einer Änderung des Schwebungssignals bestimmt werden kann, wenn der Betrag der Frequenzverschiebung v_s der Laservorrichtung 110 geändert wird. Da ein derartiges Verfahren zum Bestimmen der Differenz 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 einer Beziehung zwischen (i) der Frequenz des durch die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform detektierten Schwebungssignals und (ii) 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 v_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 v_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 das Positive und das Negative der zurückgeklappten Bildsignale umgekehrt wird, 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 v_c/2 werden, wenn ein Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_c beobachtet wird.
Wie oben beschrieben ist, werden in dem Beobachtungsband zwischen den Frequenzen 0 und v_c zwei Linienspektren erzeugt, die (i) das Schwebungssignal v_B(m, d) und (ii) das Bildsignal v_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.
[Konfigurationsbeispiel des Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 und des Umsetzungsteils 160]
5 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 und des Umsetzungsteils 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 detektiert das reflektierte Licht und das Referenzlicht orthogonal. 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 teilt 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 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 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 Zuführungsteil 210 des ersten Taktsignals 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 v_c eingestellt. Der erste Filterteil 162 und der zweite Filterteil 164 sind z. B. Tiefpassfilter, die Signalkomponenten mit einer Frequenz gleich oder kleiner als v_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 v_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 v_c erhaltene zweite Schwebungssignal dem zweiten AD-Umsetzer 204 zu.
Der erste AD-Umsetzer 202 und der zweite AD-Umsetzer 204 setzen einzugebende 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 Zuführungsteil 210 des ersten Taktsignals führt dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 erste Taktsignale zu. Dadurch setzen der erste AD-Umsetzer 202 und der zweite AD-Umsetzer 204 die analogen Signale näherungsweise mit derselben ersten Abtastrate wie einer Taktfrequenz des empfangenen ersten Taktsignals in die digitalen Signale um.
Wenn hier das Beobachtungsband von 0 bis v_c ist, ist die Frequenz der Schwebungssignale höchstens die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums. Somit führt der Zuführungsteil 210 des ersten Taktsignals dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 erste Taktsignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Doppelten der Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums 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. Wie oben beschrieben ist, setzt der Umsetzungsteil 160 die Schwebungssignale in die digitalen Signale mit der ersten Abtastrate um und führt daraufhin an den digitalen Signalen die Frequenzanalyse aus. Es wird angemerkt, dass der Umsetzungsteil 160 einen 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.
[Übersicht der Quadraturdetektion]
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 Q-Signal in einem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_c ein Schwebungssignal v_B(m, d) und ein Bildsignal v_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 -v_B(m, d) und ein ursprüngliches Schwebungssignal -v_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 v_c auf der positiven Seite Phasen des Bildsignals v_B(m+1, d) des I-Signals und des Bildsignals v_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 -v_B(m, d) des I-Signals und des Schwebungssignals -v_B(m, d) des Q-Signals wechselweise invertiert.
Wie in dem unteren Teil von 6 gezeigt ist, verstärken sich somit die Schwebungssignale der Frequenz v_B(m, d) in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_c gegenseitig und heben sich die Bildsignale der Frequenz v_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 -v_B(m+1, d) gegenseitig und heben sich die Schwebungssignale mit der Frequenz -v_B(m, d) gegenseitig auf.
Gemäß dem Frequenzanalyseergebnis des Frequenzanalyseteils 220 wird in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_c ein Schwebungssignal für die Frequenz v_B(m, d) beobachtet. Da die Messvorrichtung 100 das Bildsignal auf diese Weise aufheben kann, kann die Frequenz v_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 wird hier durch Gleichung 6 ausgedrückt. Aus Gleichung 6 ist zu sehen, dass die Entfernung d unter Verwendung dreier Frequenzen v_c, v_s und v_B(m, d) berechnet werden kann. Unter den drei Frequenzen kann v_B(m, d) wie oben beschrieben detektiert werden. Da v_c und v_s die auf der Grundlage von in der Laservorrichtung 110 verwendeten Komponenten bestimmten Frequenzen sind, sollten außerdem v_c und v_s im Idealfall feste Werte sein. Da v_s der Betrag der Frequenzverschiebung durch den Frequenzschieber 112 ist, kann hier v_s unter Verwendung einer Einrichtung mit einem stabilen Verschiebungsvertrag als der Frequenzschieber 112 näherungsweise als der feste Wert angesehen werden.
Da v_c einer optischen Länge des Hohlraums der Laservorrichtung 110 entspricht, kann sie sich andererseits wegen Umgebungsschwankungen wie etwa der Temperatur ändern. Falls die Laservorrichtung 110 z. B. der wie in 2 beschriebene Faserringlaser ist und der Hohlraum durch Lichtleitfasern gebildet ist, kann sich die Hohlraumlänge näherungsweise um 10 ppm ändern, wenn sich eine Umgebungstemperatur um ein Grad Celsius ändert. Es wird angemerkt, dass die Hohlraumlänge durch solche Umgebungsschwankungen selbst dann geändert werden kann, wenn die Laservorrichtung 110 ein Festkörperlaser wie etwa ein Halbleiterlaser oder dergleichen ist. Somit extrahiert der Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 die der Hohlraumlänge entsprechende Hohlraumfrequenz, um eine derartige Änderung der Hohlraumlänge zu überwachen. Der Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 wird im Folgenden beschrieben.
[Konfigurationsbeispiel des Hohlraumfrequenz-Extraktionsteils 170]
7 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Hohlraumfrequenz-Extraktionsteils 170 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 enthält einen fotoelektrischen Umsetzungsteil und extrahiert aus elektrischen Signalen, die durch den fotoelektrischen Umsetzungsteil umgesetzt werden, die Signalkomponente, die der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums entspricht. Der Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 enthält einen dritten fotoelektrischen Umsetzungsteil 172, einen dritten Filterteil 174, einen dritten AD-Umsetzer 176 und einen Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178.
Der dritte fotoelektrische Umsetzungsteil 172 setzt das Überwachungslicht in ein elektrisches Signal um. Der dritte fotoelektrische Umsetzungsteil 172 kann eine Fotodiode oder dergleichen sein. Wie in 3 beschrieben ist, gibt die Laservorrichtung 110 den frequenzmodulierten Laserstrahl mit den mehreren in Frequenzintervallen angeordneten Längsmoden, die näherungsweise an die Hohlraumfrequenz v_c angepasst sind, aus. Somit wird ein elektrisches Signal ausgegeben, das die Hohlraumfrequenz v_c enthält, wenn der dritte fotoelektrische Umsetzungsteil 172 an dem frequenzmodulierten Laserstrahl eine fotoelektrische Umsetzung ausführt.
Der dritte Filterteil 174 lässt innerhalb des durch den dritten fotoelektrischen Umsetzungsteil 172 umgesetzten elektrischen Signals eine Signalkomponente mit der Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums durch. Der dritte Filterteil 174 weist z. B. ein Hochpassfilter und/oder ein Tiefpassfilter und/oder ein Bandpassfilter und/oder ein Bandsperrfilter auf. 7 zeigt ein Beispiel, in dem der dritte Filterteil 174 das Bandpassfilter ist.
Der dritte AD-Umsetzer 176 setzt einzugebende analoge Signale in digitale Signale um. Der dritte AD-Umsetzer 176 setzt analoge Signale synchron zu einem Taktsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem Doppelten der Resonanzfrequenz v_c in digitale Signale um. Der dritte AD-Umsetzer 176 arbeitet z. B., wenn er das Taktsignal von dem Zuführungsteil 210 des ersten Taktsignals empfängt.
Der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 führt an den Signalkomponenten, die durch den dritten Filterteil 174 gegangen sind, die Frequenzanalyse aus. Zunächst setzt der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 das von dem dritten AD-Umsetzer 176 ausgegebene digitale Signal in Frequenzdaten um. Als ein Beispiel führt der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 an dem digitalen Signal eine digitale Fourier-Transformation (DFT) aus. Daraufhin führt der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 eine Frequenzanalyse der Frequenzdaten aus und gibt die Hohlraumfrequenz v_c aus. Zum Beispiel gibt der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 als die Hohlraumfrequenz v_c eine Frequenz aus, bei der die Signalstärke der Frequenzdaten am größten ist.
Wie oben beschrieben wurde, extrahiert der in 7 gezeigte Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 aus dem Überwachungslicht die Hohlraumfrequenz v_c und gibt sie aus. Somit kann der Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 die Hohlraumfrequenz v_c, die der Änderung entspricht, selbst dann extrahieren und ausgeben, wenn sich die Hohlraumlänge der Laservorrichtung 110 wegen einer Schwankung der Umgebungstemperatur ändert. Da der Berechnungsteil 180 den festen Wert v_s, den auf die oben beschriebene Weise detektierten festen Wert v_B(m, d) und die Hohlraumfrequenz v_c verwendet, ist es möglich, eine der Schwankung der Umgebungstemperatur entsprechende Entfernung d zu berechnen.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Messvorrichtung 100 die Verringerung der Messgenauigkeit selbst dann unterdrücken, wenn Umgebungsschwankungen auftreten, da die Messvorrichtung 100 die Hohlraumfrequenz v_c entsprechend den Umgebungsschwankungen überwacht und die Hohlraumfrequenz v_c in der Berechnung der Entfernung d widerspiegelt. Alternativ oder zusätzlich kann die Laservorrichtung 110 in einer temperaturstabilisierten gesteuerten Kammer wie etwa einer Thermostatkammer angeordnet sein, um den Einfluss von Umgebungsschwankungen zu verringern und um die Verringerung der Messgenauigkeit der Messvorrichtung 100 zu unterdrücken.
Da die Messvorrichtung 100, in der die Temperaturstabilität gesteuert wird, dazu neigt, eine große Vorrichtung zu sein, können allerdings Probleme wie etwa Zunahmen der Kosten, dass eine erhöhte Anstrengung für die Schaltungsjustierung oder dergleichen notwendig ist und erhöhte Einbaufläche oder dergleichen auftreten. Ferner wird eine Messabweichung der Hohlraumfrequenz einer Entfernungsmessabweichung überlagert und wird die Entfernungsmessabweichung gelegentlich groß, wenn für die Entfernungsmessung das Beobachtungsergebnis der Hohlraumfrequenz, das der Änderung der Hohlraumlänge entspricht, verwendet wird. Die Messabweichung der Hohlraumfrequenz ist hier als Δv_c definiert.
In diesem Fall kann die Messabweichung Δv_c durch mehrmaliges Beobachten der Hohlraumfrequenz v_c und daraufhin deren Mitteln verringert werden, wobei aber durch mehrmaliges Ausführen der Beobachtung die Messzeit länger wird und der Durchsatz der Messvorrichtung 100 verringert wird. Somit kann die Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Messabweichung Δv_c der Hohlraumfrequenz verringern, während eine derartige Verringerung des Durchsatzes unterdrückt wird, wodurch die Messung einer Entfernung mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird. Nachfolgend wird eine Messvorrichtung beschrieben.
[Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 300]
8 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit dem zu messenden Objekt 10. In der in 8 gezeigten Messvorrichtung 300 sind Operationen, die näherungsweise dieselben wie jene der Messvorrichtung 100 gemäß der in 1 gezeigten vorliegenden Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden ihre Beschreibungen weggelassen. Ferner enthält die Messvorrichtung 300 anstelle des Hohlraumfrequenz-Extraktionsteils 170 der Messvorrichtung 100 einen Extraktionsteil 310 und einen Identifizierungsteil 320.
Der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 identifizieren auf ähnliche Weise wie bei dem Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil 170 die Hohlraumfrequenz v_c der Laservorrichtung 110. Der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 identifizieren hier die Hohlraumfrequenz v_c schnell, während sie die Messabweichung Δv_c verringern. Nachfolgend wird eine detailliertere Konfiguration des Extraktionsteils 310 und des Identifizierungsteils 320 beschrieben.
[Konfigurationsbeispiel des Extraktionsteils 310 und des Identifizierungsteils 320]
9 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Extraktionsteils 310 und des Identifizierungsteils 320 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Extraktionsteil 310 extrahiert auf der Grundlage der Hauptkeule aus einem durch Umsetzen des Überwachungslichts erzeugten elektrischen Signal eine Signalkomponente, die mehrere Eigenschwebungssignale enthält. Der Extraktionsteil 310 enthält einen vierten fotoelektrischen Umsetzungsteil 312, einen vierten Filterteil 314 und einen vierten AD-Umsetzer 316.
Der vierte fotoelektrische Umsetzungsteil 312 setzt das Überwachungslicht in ein elektrisches Signal um. Der vierte fotoelektrische Umsetzungsteil 312 kann auf ähnliche Weise wie der dritte fotoelektrische Umsetzungsteil 172 eine Fotodiode oder dergleichen sein. Wie anhand von 3 beschrieben ist, gibt die Laservorrichtung 110 den frequenzmodulierten Laserstrahl, bei dem die Längsmoden der Hauptkeule in Frequenzintervallen angeordnet sind, die näherungsweise an die Hohlraumfrequenz v_c angepasst sind, aus. Mit anderen Worten, das von dem vierten fotoelektrischen Umsetzungsteil 312 ausgegebene elektrische Signal enthält auf der Grundlage der Hauptkeule des Laserstrahls mehrere Eigenschwebungssignale.
Die mehreren Eigenschwebungssignale auf der Grundlage der Hauptkeule sind auf ähnliche Weise wie bei der Hauptkeule des Laserstrahls in Frequenzintervallen angeordnet, die näherungsweise an die Hohlraumfrequenz v_c angepasst sind. Unter der Annahme, dass die Spitzenfrequenz des n_c-ten Eigenschwebungssignals v_c(n_c) ist, wird hier aus v_c(n_c) = n_c · v_c die folgende Gleichung festgesetzt. n_c ist hier die Ordnung des Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule. $ν_{c} = \frac{ν_{c} (n_{c})}{n_{c}}$
Da das Messergebnis der Eigenschwebungssignale die Messabweichung Δv_c enthält, ist hier ein Ideal v_c(n_c) für Gleichung 7 tatsächlich v_c(n_c) + Δv_c. Somit ist zu verstehen, dass die in dem Messergebnis enthaltene Messabweichung Δv_c auf einen Wert von etwa 1/n_c verringert ist, wenn die Hohlraumfrequenz v_c durch Messen des Eigenschwebungssignals hoher Ordnung v_c(n_c) mit einem großen n_c berechnet wird.
Mit anderen Worten, nur durch einmaliges Messen der Eigenschwebungssignale mit einer Ordnung n_c von 2 oder höher mit dem Extraktionsteil 310 und mit dem Identifizierungsteil 320 kann die Messabweichung Δv_c auf 1/n_c verringert werden.
Somit extrahieren der vierte Filterteil 314 und der vierte AD-Umsetzer 316 Eigenschwebungssignale hoher Ordnung unter den mehreren Eigenschwebungssignalen und setzen sie sie in digitale Signale um. Der vierte Filterteil 314 lässt innerhalb des durch den vierten fotoelektrischen Umsetzungsteil 312 umgesetzten elektrischen Signals eine Signalkomponente, die eine Frequenz größer oder gleich dem Zweifachen der Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums enthält, durch.
Der vierte Filterteil 314 weist z. B. ein Hochpassfilter und/oder ein Tiefpassfilter und/oder ein Bandpassfilter und/oder ein Bandsperrfilter auf. 9 zeigt ein Beispiel, in dem der vierte Filterteil 314 das Tiefpassfilter ist. Zum Beispiel lässt der vierte Filterteil 314 eine Signalkomponente durch, die eine Frequenz von etwa 1/2 einer Taktfrequenz des vierten A/D-Umsetzers 316 enthält. Somit kann der vierte Filterteil 314 das Eigenschwebungssignal der höchsten Ordnung in einem Bereich, in dem der vierte A/D-Umsetzer 316 betrieben wird, extrahieren.
Der vierte AD-Umsetzer 316 setzt analoge Eingangssignale in digitale Signale um. Der vierte AD-Umsetzer 316 setzt z. B. analoge Signale synchron zu einem Taktsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem 2n_c-fachen der Hohlraumfrequenz v_c in digitale Signale um.
Der Identifizierungsteil 320 identifiziert auf der Grundlage der durch den Extraktionsteil 310 extrahierten Signalkomponente die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums. Der Identifizierungsteil 320 setzt die von dem vierten AD-Umsetzer 316 ausgegebenen digitalen Signale in Frequenzdaten um. Der Identifizierungsteil 320 führt an den digitalen Signalen z. B. eine digitale Fourier-Transformation (DFT) aus. Der Identifizierungsteil 320 analysiert die Frequenzdaten und identifiziert die Frequenz n_c · v_c des Eigenschwebungssignals.
Zum Beispiel führt der Identifizierungsteil 320 an den Frequenzdaten eine Signalstärkespitzendetektion aus und identifiziert eine Frequenz, die einer Spitze entspricht, als die Frequenz n_c · v_c des Eigenschwebungssignals. Es wird angemerkt, dass der Identifizierungsteil 320 die Frequenz n_c · v_c des Eigenschwebungssignals durch Suchen nach einer Spitze in der Nähe einer vorgegebenen Frequenz identifizieren kann, wenn es mehrere Spitzen in den Frequenzdaten gibt. Es ist erwünscht, dass ein Wert von n_c zur Zeit des Entwurfs eines Durchlassbereichs des vierten Filterteils 314 definiert wird. In diesem Fall kann ein Wert in der Nähe der Frequenz des zu messenden Eigenschwebungssignals durch Schätzen von n_c · v_c des Entwurfswerts vorgegeben werden.
Der Identifizierungsteil 320 identifiziert durch Dividieren der identifizierten Frequenz n_c · v_c durch n_c die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums. Es wird angemerkt, dass es erwünscht ist, dass der Wert von n_c im Voraus in der Speichereinheit oder dergleichen gespeichert wird. Der Identifizierungsteil 320 führt die identifizierte Hohlraumfrequenz v_c dem Berechnungsteil 180 zu.
Wie oben beschrieben wurde, geben der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch einmaliges Messen des Überwachungslichts die gemessene Hohlraumfrequenz v_c durch Verringern der Messabweichung Δv_c auf 1/n_c aus. Außerdem ist es dadurch, dass veranlasst wird, dass der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 die Messung k-mal (k ≥ 1) ausführen, möglich, die Messabweichung Δv_c auf 1/(k · n_c) zu verringern.
Wie oben beschrieben wurde, können der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 die hochgenaue Hohlraumfrequenz v_c selbst dann schnell messen und ausgeben, wenn sich die Hohlraumlänge der Laservorrichtung 110 wegen einer Schwankung der Umgebungstemperatur ändert. Daraufhin berechnet der Berechnungsteil 180 auf der Grundlage des optischen Hohlraums und der durch den Identifizierungsteil 320 identifizierten Hohlraumfrequenz v_c des Laserhohlraums eine Differenz zwischen den Ausbreitungsentfernungen des Referenzlichts und des Messlichts. Da der Berechnungsteil 180 den festen Wert v_s, das detektierte v_B(m_d) und die mit hoher Genauigkeit gemessene Hohlraumfrequenz v_c verwendet, ist es möglich, eine der Schwankung der Umgebungstemperatur entsprechende Entfernung d zu berechnen.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Entfernung unter Verwendung der Eigenschwebungssignale hoher Ordnung unter den mehreren Eigenschwebungssignalen auf der Grundlage der Hauptkeule mit hoher Genauigkeit messen, während die Verringerung des Durchsatzes unterdrückt wird, ist sie darauf aber nicht beschränkt. Die Messvorrichtung 300 kann z. B. Eigenschwebungssignale auf der Grundlage von Nebenkeulen verwenden, wenn die Laservorrichtung 110 Nebenkeulen ausgibt. Nachfolgend wird eine derartige Messvorrichtung 300 beschrieben.
In 2 ist beschrieben worden, dass die Laservorrichtung 110 in dem Hohlraum den Frequenzschieber 112 aufweist. Als der Frequenzschieber 112 ist der oben beschriebene AOFS bekannt. Die wie in 3 beschriebene Laservorrichtung 110 unter Verwendung des AOFS gibt die Hauptkeule aus. Anstelle eines AOFS kann als der Frequenzschieber 112 ein optischer SSB-Modulator verwendet werden.
[Konfigurationsbeispiel eines optischen SSB-Modulators 30]
10 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines optischen SSB-Modulators 30 und eines Steuerteils 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der optische SSB-Modulator 30 enthält ein Substrat 31, einen Mach-Zehnder-Hauptwellenleiter 32, einen ersten Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 33, einen zweiten Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 34, eine Gleichstromhauptelektrode 35, eine erste Gleichstromteilelektrode 36, eine zweite Gleichstromteilelektrode 37, eine erste HF-Elektrode 38 und eine zweite HF-Elektrode 39.
Das Substrat 31 ist ein Substrat, das wenigstens teilweise aus einem elektrooptischen Kristall gebildet ist und z. B. einen LiNbO₃-Kristall enthält. An einer Oberfläche eines derartigen Substrats 31 sind ein Wellenleiter und das Substrat gebildet. Der Mach-Zehnder-Hauptwellenleiter 32 teilt das Licht, das in den optischen SSB-Modulator 30 eingegeben wird, in zwei und gibt die verzweigten Lichtsignale, nachdem sie multiplexiert worden sind, aus. Der Mach-Zehnder-Hauptwellenleiter 32 weist einen Wellenleiter 41 des ersten Arms, durch den eines der verzweigten Lichtsignale geht, und den Wellenleiter 42 des zweiten Arms, durch den das andere verzweigte Lichtsignal geht, auf.
Der Wellenleiter 41 des ersten Arms enthält den ersten Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 33. Der erste Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 33 teilt das Licht, das durch den Wellenleiter 41 des ersten Arms geht, in zwei und gibt die verzweigten Lichtsignale, nachdem es sie multiplexiert hat, an den Wellenleiter 41 des ersten Arms aus. Der erste Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 33 weist einen Wellenleiter 43 des ersten Teilarms und einen Wellenleiter 44 des zweiten Teilarms, die das Eingangslicht durchlassen, auf.
Der Wellenleiter 42 des zweiten Arms enthält den zweiten Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 34. Der zweite Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 34 teilt das Licht, das durch den Wellenleiter 42 des zweiten Arms gegangen ist, in zwei und gibt die verzweigten Lichtsignale, nachdem es sie multiplexiert hat, an den Wellenleiter 42 des zweiten Arms aus. Der zweite Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 34 weist einen Wellenleiter 45 des dritten Teilarms und einen Wellenleiter 46 des vierten Teilarms, die das Eingangslicht durchlassen, auf.
Als ein Beispiel ist die Gleichstromhauptelektrode 35 an einer Position näherungsweise in derselben Entfernung sowohl von dem Wellenleiter 41 des ersten Arms als auch von dem Wellenleiter 42 des zweiten Arms des Mach-Zehnder-Hauptwellenleiters 32 vorgesehen. Von dem Steuerteil 50 wird der Gleichstromhauptelektrode 35 eine Gleichspannung zugeführt.
Als ein Beispiel sind die erste Gleichstromteilelektrode 36 und die erste HF-Elektrode 38 an einer Position näherungsweise in derselben Entfernung sowohl von dem Wellenleiter 43 des ersten Teilarms als auch von dem Wellenleiter 44 des zweiten Teilarms des ersten Mach-Zehnder-Teilwellenleiters 33 vorgesehen. Die erste Gleichstromteilelektrode 36 und die erste HF-Elektrode 38 können getrennte Elektroden sein oder können eine gemeinsame Elektrode sein.
Ähnlich sind die zweite Gleichstromteilelektrode 37 und die zweite HF-Elektrode 39 als ein Beispiel an einer Position näherungsweise in derselben Entfernung sowohl von dem Wellenleiter 45 des dritten Teilarms als auch von dem Wellenleiter 46 des vierten Teilarms des zweiten Mach-Zehnder-Teilwellenleiters 34 vorgesehen. Die zweite Gleichstromteilelektrode 37 und die zweite HF-Elektrode 39 können getrennte Elektroden sein oder können eine gemeinsame Elektrode sein.
Von dem Steuerteil 50 wird der ersten Gleichstromteilelektrode 36 und der zweiten Gleichstromteilelektrode 37 eine Gleichspannung zugeführt. Von dem Steuerteil 50 wird der ersten HF-Elektrode 38 und der zweiten HF-Elektrode 39 ein HF-Signal zugeführt. Das HF-Signal ist z. B. ein Hochfrequenzsignal mit mehreren GHz bis mehreren zehn GHz.
Somit wird ein elektrooptischer Effekt (Pockels-Effekt) erzeugt, der den Brechungsindex des Wellenleiters ändert, wenn an die Elektrode, die in der Nähe des Wellenleiters vorgesehen ist, der das Eingangslicht durchlässt, die Spannung angelegt ist. Der Amplitudenstärkepegel und die Phase des Lichts, das durch den Wellenleiter geht, in dem der elektrooptische Effekt aufgetreten ist, erfahren eine Modulation, einen Versatz usw., die der angelegten Spannung entsprechen. Da die Änderung des Brechungsindex wegen eines derartigen elektrooptischen Effekts eine Anlegerichtung des elektrischen Felds entspricht, ist es z. B. möglich, die Änderungsrichtung der Phase einfach durch Ändern des positiven oder negativen Vorzeichens der an die Elektrode angelegten Spannung zu schalten.
Der Steuerteil 50 stellt die Phase des durch den Wellenleiter gehenden Lichts durch Zuführen der Gleichspannung und des HF-Signals an mehrere Elektroden des optischen SSB-Modulators 30 ein. Der Steuerteil 50 weist einen Gleichspannungserzeugungsteil 52 und einen HF-Signal-Erzeugungsteil 54 auf. Der Gleichspannungserzeugungsteil 52 erzeugt eine Gleichspannung und führt die Gleichspannung der Gleichstromhauptelektrode 35, der ersten Gleichstromteilelektrode 36 und der zweiten Gleichstromteilelektrode 37 zu. Der HF-Signal-Erzeugungsteil 54 erzeugt das HF-Signal und führt das HF-Signal der ersten HF-Elektrode 38 und der zweiten HF-Elektrode 39 zu.
Der Steuerteil 50 steuert den Gleichspannungserzeugungsteil 52 und den HF-Signal-Erzeugungsteil 54 zum Zuführen der Gleichspannung und des HF-Signals zu dem optischen SSB-Modulator 30 und stellt die Frequenzverschiebungsrichtung und den Frequenzverschiebungsbetrag ein. Zum Beispiel verschiebt der Steuerteil 50 die Frequenz des in den optischen SSB-Modulator 30 eingegebenen Lichts um die Frequenz des HF-Signals. Der Steuerteil 50 kann den Frequenzverschiebungsbetrag des optischen SSB-Modulators 30 ferner durch Ändern der Frequenz des HF-Signals einstellen.
Ferner schaltet der Steuerteil 50 die Frequenzverschiebungsrichtung durch Zuführen der Gleichspannung mit einem vorgegebenen Wert zu der Gleichstromhauptelektrode 35, zu der ersten Gleichstromteilelektrode 36 und zu der zweiten Gleichstromteilelektrode 37, die auf dem Substrat 31 vorgesehen sind und die dem Mach-Zehnder-Hauptwellenleiter 32, dem ersten Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 33 und dem zweiten Mach-Zehnder-Teilwellenleiter 34 entsprechen. Da ein derartiges Schalten der Frequenzverschiebung und der Verschiebungsrichtung des optischen SSB-Modulators 30 in den bekannten Patentdokumenten 2 und 3 beschrieben ist, ist eine ausführliche Beschreibung davon hier weggelassen.
Die Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann den optischen SSB-Modulator 30 verwenden, der oben als der Frequenzschieber 112 beschrieben ist. Der Steuerteil 50 stellt die Frequenz des dem optischen SSB-Modulator 30 zugeführten HF-Signals ein und ermöglicht dadurch, einen Frequenzverschiebungsbetrag des optischen SSB-Modulators 30 einzustellen. Ferner kann der Steuerteil 50 die dem optischen SSB-Modulator 30 zugeführte Spannung schalten und ermöglicht er dadurch, die Frequenzverschiebungsrichtung des optischen SSB-Modulators 30 auf die positive Seite oder auf die negative Seite zu schalten.
[Ein Beispiel eines durch den optischen SSB-Modulator 30 ausgegebenen Lichtspektrums]
11 zeigt ein Beispiel eines von dem optischen SSB-Modulator 30 ausgegebenen Lichtspektrums gemäß der vorliegenden Ausführungsform. in 11 gibt die horizontale Achse die Frequenz des Lichts an, gibt die vertikale Achse die Lichtstärke an. 11 zeigt einen beispielhaften Fall, in dem Licht mit einer Frequenz v₀ in den optischen SSB-Modulator 30 eingegeben wird und der optische SSB-Modulator 30 durch Verschieben der Frequenz des Eingangslichts um v_s Licht mit einer Frequenz v₀ + v_s ausgibt. Das Ausgangslicht mit der Frequenz v₀ + v_s wird hier eine Hauptkeule genannt.
Außer der Hauptkeule erzeugt der optische SSB-Modulator 30 an Frequenzpositionen, die von der Frequenz der Hauptkeule um v_s beabstandet sind, mehrere Nebenkeulen. Mit anderen Worten, die Ausgangslichtsignale, die um die Verschiebungsfrequenz v_s von der Frequenz v₀ + v_s der Hauptkeule angeordnet sind, werden Nebenkeulen genannt. 11 zeigt Nebenkeulen mit den Frequenzen von v_s - 3v_s bis v₀, die auf der negativen Seite der Hauptkeule erzeugt werden, und Nebenkeulen mit den Frequenzen v₀ + 2v_s und v₀ + 3v_s, die auf der positiven Seite der Hauptkeule erzeugt werden. Wie oben beschrieben wurde, wird im Folgenden die Laservorrichtung 110, die in dem Hohlraum den Frequenzschieber 112 aufweist, der die Nebenkeulen erzeugt, beschrieben.
[Beispiel einer Laserstrahlausgabe von der Laservorrichtung 110)]
12 zeigt ein Beispiel eines Laserstrahls, der von der Laservorrichtung 110 mit dem in 10 gezeigten optischen SSB-Modulator 30 ausgegeben wird. In 12 gibt die horizontale Achse die Zeit an und gibt die vertikale Achse die Frequenz des Lichts an. 12 zeigt Änderungen der Frequenzen der Hauptkeule oder Nebenkeulen, die von der Laservorrichtung 110 ausgegeben werden, im Zeitverlauf. Eine Änderung der Frequenz der Hauptkeule im Zeitverlauf ist dieselbe wie die anhand von 3 beschriebene Änderung der Hauptkeule. Somit kann selbst mit einer derartigen Laservorrichtung 110 unter Verwendung von Gleichung 6 die Entfernung d zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10 berechnet werden.
Auf ähnliche Weise wie bei der Hauptkeule ändert sich eine Frequenz einer Nebenkeule jedes Mal, wenn die Nebenkeule in dem Hohlraum hin- und herläuft, wegen des Frequenzschiebers 112 um v_s. Somit ist die Änderung der Frequenz der Nebenkeule im Zeitverlauf dieselbe wie die Änderung der Hauptkeule. Wenn die Laservorrichtung 110 mit dem optischen SSB-Modulator 30 verwendet ist, wird in den Extraktionsteil 310 Überwachungslicht mit dem wie in 12 gezeigten Lichtspektrum ausgegeben. Daraufhin setzt der vierte fotoelektrische Umsetzungsteil 312 das Überwachungslicht in ein elektrisches Signal um. In dem von dem vierten fotoelektrischen Umsetzungsteil 312 ausgegebenen elektrischen Signal werden auf der Grundlage der Hauptkeule und der Nebenkeulen des Laserstrahls mehrere Eigenschwebungssignale erzeugt.
[Erstes Beispiel eines Eigenschwebungsspektrums]
13 zeigt ein erstes Beispiel eines Eigenschwingungsspektrums des von der Laservorrichtung 110 mit dem in 10 gezeigten optischen SSB-Modulator 30 ausgegebenen Laserstrahls. Mit anderen Worten, 13 zeigt ein Beispiel des von dem vierten fotoelektrischen Umsetzungsteil 312 ausgegebenen elektrischen Signals. In 13 repräsentiert die horizontale Achse die Frequenz und repräsentiert die vertikale Achse die Lichtstärke. Die mehreren Eigenschwebungssignale auf der Grundlage der Hauptkeule sind in Frequenzintervallen angeordnet, die näherungsweise an die Hohlraumfrequenz v_c angepasst sind. Die Nebenkeulen sind um die Hauptkeule in Frequenzintervallen angeordnet, die näherungsweise an die verschobene Frequenz v_s angepasst sind.
Unter der Annahme, dass die Spitzenfrequenz derartiger Eigenschwebungssignale v_cs(n_s, n_c) ist, wird v_cs(n_s, n_c) durch die folgende Gleichung ausgedrückt. n_c repräsentiert hier die Ordnung der Eigenschwebungssignale auf der Grundlage der Hauptkeule. n_s repräsentiert die Ordnung der Eigenschwebungssignale auf der Grundlage der Nebenkeulen und repräsentiert die Verschiebungsordnung des Frequenzschiebers. $ν_{c s} (n_{s}, n_{c}) = n_{s} ν_{s} + n_{c} ν_{c}$
In Gleichung 8 ist n_c eine ganze Zahl, deren Absolutwert 1 oder mehr ist, und ist n_s eine ganze Zahl. Wenn n_s = 0 ist, gibt v_cs(n_s, n_c) die Spitzenfrequenz eines Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule an. Zum Beispiel ist v_cs(0, 2) gleich 2v_c und ist v_cs(-2, 4) gleich 4v_c - 2v_s. Aus Gleichung 8 wird die Hohlraumfrequenz v_c wie folgt berechnet. $ν_{c} = \frac{ν_{c s} (n_{s}, n_{c})}{n_{c}} - \frac{n_{s}}{n_{c}} ν_{s}$
Da der zweite Term auf der rechten Seite in Gleichung 9, wie in Gleichung 7 beschrieben ist, eine Konstante ist, ist zu verstehen, dass die in einem Messergebnis enthaltene Messabweichung auf einen Wert von etwa 1/n_c verringert ist, wenn die Hohlraumfrequenz v_c durch Messen des Eigenschwebungssignals v_cs(n_s, n_c) hoher Ordnung mit einem großen n_c berechnet wird. Die gemessene Variation kann verringert werden, gleich, ob ein zu messendes Eigenschwingungssignal v_cs(n_s, n_c) auf der Hauptkeule beruht (n_s = 0) oder auf der Nebenkeule beruht (n_s ≠ 0). Hier ist zu sehen, dass die Bedingung für die Unterdrückung der Verringerung des Durchsatzes in der Messvorrichtung 300 selbst in der Messung der Hohlraumfrequenz v_c unter Verwendung der Nebenkeule ist, dass der Absolutwert der Ordnung n_c des Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule auf 2 oder mehr eingestellt ist.
Mit anderen Worten, die in 8 gezeigte Messvorrichtung 300 kann die Entfernung selbst unter Verwendung der Laservorrichtung 110, die als den Frequenzschieber 112 in dem optischen Hohlraum den optischen SSB-Modulator 30 aufweist, der die Nebenkeulen erzeugt und den frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden der Hauptkeule und der Nebenkeulen ausgibt, mit hoher Genauigkeit messen, während die Verringerung des Durchsatzes unterdrückt wird. Wenn die Messvorrichtung 300 das Eigenschwebungssignal auf der Grundlage der Hauptkeule verwendet, können der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 in derselben Weise wie oben beschrieben arbeiten.
Wenn die Messvorrichtung 300 andererseits das Eigenschwebungssignal auf der Grundlage der Nebenkeule verwendet, extrahiert der Extraktionsteil 310 von dem durch Umsetzen des Überwachungslichts erzeugten elektrischen Signal (n_s ≠ 0) auf der Grundlage der Nebenkeule eine Signalkomponente, die das Eigenschwebungssignal v_cs(n_s, n_c) enthält. Daraufhin identifiziert der Identifizierungsteil 320 unter Verwendung von Gleichung 9 aus der Spitzenfrequenz v_cs(n_s, n_c), die in der durch den Extraktionsteil 310 extrahierten Signalkomponente enthalten ist, die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums.
n_c und n_s sind Parameter, die im Voraus entworfen werden können. Wie oben beschrieben wurde, kann der Identifizierungsteil 320 somit die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums auf der Grundlage der durch den Extraktionsteil 310 extrahierten Signalkomponente identifizieren. Im Ergebnis kann der Berechnungsteil 180 die Differenz zwischen den Ausbreitungsentfernungen des Referenzlichts und des Messlichts auf der Grundlage der Hohlraumfrequenzen v_c des optischen Hohlraums und des Schwebungssignals des optischen Hohlraums genau berechnen.
In der oben beschriebenen Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Beispiel beschrieben worden, in dem der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 die Frequenz des Eigenschwebungssignals v_cs(n_s, n_c) des Überwachungslichts messen und aus dem Messergebnis die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums identifizieren. Außerdem ist in 13 ein Beispiel des durch den Extraktionsteil 310 und durch den Identifizierungsteil 320 gemessenen Eigenschwebungssignals v_cs(n_s, n_c) gezeigt, wobei die vorliegende Offenbarung darauf aber nicht beschränkt ist.
Das in 13 gezeigte Eigenschwebungssignal v_cs(n_s, n_c) zeigt einen Fall, dass v_s < v_c ist. Üblicherweise ist die Verschiebungsfrequenz v_s des optischen SSB-Modulators 30 etwa mehrere GHz bis mehrere zehn GHz und ist die Hohlraumfrequenz v_c der Laservorrichtung 110 etwa mehrere zehn MHz bis mehrere hundert MHz. Somit kann die Messvorrichtung 300 das Eigenschwingungssignal v_cs(n_s, n_c) für einen Fall mit v_s > v_c verwenden.
[Zweites und drittes Beispiel der Eigenschwebungsspektren]
14 zeigt ein zweites Beispiel des Eigenspektrums des Laserstrahls, der von der Laservorrichtung 110 mit dem in 10 gezeigten optischen SSB-Modulator 30 ausgegeben wird. Das Eigenschwebungsspektrum des zweiten Beispiels zeigt das Frequenzspektrum, wenn v_c < v_s < 2v_c ist. Ferner zeigt 15 ein drittes Beispiel des Eigenschwebungsspektrums des Laserstrahls, der von der Laservorrichtung 110 mit dem in 10 gezeigten optischen SSB-Modulator 30 ausgegeben wird. Das Eigenschwebungsspektrum des dritten Beispiels zeigt das Frequenzspektrum, wenn v_s etwa 100v_c ist.
Aus 14 und 15 ist zu sehen, dass unter mehreren Eigenschwebungssignalen v_cs(n_s, n_c) ein Eigenschwebungssignal mit einer kleineren Frequenz als der Hohlraumfrequenz v_c und |n_c| ≥ 2 erzeugt wird, wenn v_s > v_c ist. Zum Beispiel sind eine Frequenz des Eigenschwebungssignals v_cs(-2, 4) auf der Grundlage der Nebenkeule in 14 und eine Frequenz eines Eigenschwebungssignals v_cs(-1, 100) auf der Grundlage der Nebenmode in 15 kleiner als die Hohlraumfrequenz v_c.
Wenn das Eigenschwebungssignal v_cs(n_s, n_c) zu der Zeit, zu der es gemessen wird, mit einer niedrigeren Frequenz verarbeitet werden kann, wird das Entwerfen, Herstellen oder dergleichen elektrischer Schaltungen oder dergleichen des Extraktionsteils 310 und des Identifizierungsteils 320 leicht. Somit ist es erwünscht, dass der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 ein Eigenschwingungssignal messen, das 0 < v_cs(n_s, n_c) < v_c genügt. In diesem Fall ist der vierte Filterteil 314 des Extraktionsteils 310 ein Filter, das innerhalb des durch den vierten fotoelektrischen Umsetzungsteil 312 umgesetzten elektrischen Signals eine Signalkomponente, die kleiner als die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums ist, durchlässt.
Dadurch, dass eine Ungleichung 0 < v_cs(n_s, n_c) < v_c in Gleichung 8 ersetzt wird, wird die folgende Gleichung erhalten. $- n_{s} \frac{ν_{s}}{ν_{c}} < n_{c} < 1 - n_{s} \frac{ν_{s}}{ν_{c}}$
Aus Gleichung 10 wird n_c wie folgt ausgedrückt. Hier ist ceil() eine Funktion, die das Bilden der Obergrenze (Aufrunden) repräsentiert. $n_{c} = ceil (- n_{s} \frac{ν_{s}}{ν_{c}})$
[Bedingungen von n_s]
16 zeigt ein Ergebnis der Zusammenfassung von Bedingungen von n_s, in denen der Absolutwert eines derartigen n_c für jeden Bereich von v_s gleich oder größer als 2 ist.
Wenn z. B. v_s = 1 GHz, v_c = 90 MHz, n_s = 1 und n_c = -11 ist, ist eine Frequenz eines Eigenschwebungssignals v_cs(1, -11) 10 MHz. Dadurch, dass ein elektrisches Signal von etwa 10 MHz gemessen wird, können der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 320 die Messabweichung auf etwa 1/11 der herkömmlichen Messabweichung verringern. Mit anderen Worten, der Extraktionsteil 310 und der Identifizierungsteil 312 können die Hohlraumfrequenz v_c näherungsweise mit dem 11-fachen der Empfindlichkeit messen.
Es ist bevorzugt, dass die durch den Extraktionsteil 310 und durch den Identifizierungsteil 320 zu messende Frequenz des Eigenschwebungssignals v_cs(n_s, n_c) von Frequenzen der anderen Eigenschwebungssignale getrennt wird. Falls z. B. die zu messende Frequenz des Eigenschwebungssignals v_cs(n_s, n_c) und die Frequenzen der anderen Eigenschwebungssignale in dem Grad überlappen, dass sie nicht getrennt werden können, würde in einem Identifizierungsergebnis des Identifizierungsteils 320 ein Fehler auftreten. Somit ist es erwünscht, z. B. zur Zeit des Entwurfs des optischen SSB-Modulators 30 eine geeignete Verschiebungsfrequenz v_s einzustellen.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die Messvorrichtung 300 in der Lage ist, die Verschiebungsfrequenz v_s des optischen SSB-Modulators 30 geeignet einzustellen. Zum Beispiel kann der Identifizierungsteil 320 dafür konfiguriert sein, den Frequenzverschiebungsbetrag des optischen SSB-Modulators 30 durch Senden eines Steuersignals zum Ändern der Frequenz des HF-Signals an den Steuerteil 50 zu ändern.
In diesem Fall setzt z. B. der Identifizierungsteil 320 die durch den Extraktionsteil 310 extrahierte Signalkomponente in Frequenzdaten um und vergleicht er ein Spitzendetektionsergebnis der umgesetzten Frequenzdaten und ein Spitzendetektionsergebnis nach Ändern des Frequenzverschiebungsbetrags des optischen SSB-Modulators 30. Der Identifizierungsteil 320 kann Operationen des Änderns des Frequenzverschiebungsbetrags und des Erhaltens des Spitzendetektionsergebnisses nach dem Ändern mehrmals wiederholen. Dadurch kann der Identifizierungsteil 320 identifizieren, dass die Frequenz des zu messenden Eigenschwebungssignals v_cs(n_s, n_c) durch einen Schwellenwert oder mehr von anderen Eigenschwebungssignalen getrennt wird.
Wenigstens ein Teil des Steuerteils 50, des Umsetzungsteils 160, des Hohlraumfrequenz-Ausgabeteils 178, des Berechnungsteils 180 und des Identifizierungsteils 320 der Messvorrichtung 100 und der Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die oben beschrieben sind, sind z. B. durch eine integrierte Schaltung oder dergleichen gebildet. Zum Beispiel enthalten der Steuerteil 50, der Umsetzungsteil 160, der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178, der Berechnungsteil 180 und der Identifizierungsteil 320 z. B. eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA), einen digitalen Signalprozessor (DSP) und/oder eine Zentraleinheit (CPU).
Wenn wenigstens ein Teil des Steuerteils 50, des Umsetzungsteils 160, des Hohlraumfrequenz-Ausgabeteils 178, des Berechnungsteils 180 und des Identifizierungsteils 320 durch einen Computer oder dergleichen gebildet sind, enthalten die Messvorrichtung 100 und die Messvorrichtung 300 eine Ablagespeichereinheit. Die Ablagespeichereinheit enthält z. B. einen Nur-Lese-Speicher (ROM), der ein Basis-Eingabe-Ausgabe-System (BIOS) oder dergleichen eines Computers oder dergleichen, der den Steuerteil 50, den Umsetzungsteil 160, den Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178, den Berechnungsteil 180 und den Identifizierungsteil 320 verwirklicht, speichert, und einen Schreib-Lese-Speicher (RAM), der als ein Arbeitsbereich dient. Außerdem kann die Ablagespeichereinheit verschiedene Informationen einschließlich eines Betriebssystems (OS), von Anwendungsprogrammen und/oder einer Datenbank, auf die zur Zeit der Ausführung der Anwendungsprogramme Bezug genommen wird, speichern. Das heißt, die Ablagespeichereinheit kann eine Ablagespeichervorrichtung mit hoher Kapazität wie etwa ein Festplattenlaufwerk (HDD) und/oder ein Festkörperlaufwerk (SSD) enthalten.
Der Computer oder dergleichen enthält einen Prozessor wie etwa eine CPU und fungiert durch Ausführen eines in der Ablagespeichereinheit gespeicherten Programms wenigstens teilweise als der Steuerteil 50, als der Umsetzungsteil 160, als der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178, als der Berechnungsteil 180 und als der Identifizierungsteil 320. Der Computer oder dergleichen 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
30: optischer SSB-Modulator
31: Substrat
32: Mach-Zehnder-Hauptwellenleiter
33: erster Mach-Zehnder-Teilwellenleiter
34: zweiter Mach-Zehnder-Teilwellenleiter
35: Gleichstromhauptelektrode
36: erste Gleichstromteilelektrode
37: zweite Gleichstromteilelektrode
38: erste HF-Elektrode
39: zweite HF-Elektrode
41: Wellenleiter des ersten Arms
42: Wellenleiter des zweiten Arms
43: Wellenleiter des ersten Teilarms
44: Wellenleiter des zweiten Teilarms
45: Wellenleiter des dritten Teilarms
46: Wellenleiter des vierten Teilarms
50: Steuerteil
52: Gleichspannungs-Erzeugungsteil
54: HF-Signal-Erzeugungsteil
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: Hohlraumfrequenz-Extraktionsteil
172: dritter fotoelektrischer Umsetzungsteil
174: dritter Filterteil
176: dritter AD-Umsetzer
178: Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil
180: Berechnungsteil
190: Anzeigeteil
300: Messvorrichtung
310: Extraktionsteil
312: vierter fotoelektrischer Umsetzungsteil
314: vierter Filterteil
316: vierter AD-Umsetzer
320: Identifizierungsteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 3583906 [0002]
JP 3867148 [0002]
JP 4524482 [0002]

Claims

Messvorrichtung (100, 300), die umfasst: eine Laservorrichtung (110) mit einem Frequenzschieber (112) in einem optischen Hohlraum, der einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden einer Hauptkeule ausgibt; einen Verzweigungsteil (120), der den von der Laservorrichtung (110) ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl in ein Referenzlicht, ein Messlicht und ein Überwachungslicht teilt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil (150), der durch Mischen des Referenzlichts und eines reflektierten Lichts, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt (10) reflektiert wird, ein Schwebungssignal erzeugt; einen Extraktionsteil (310), der auf der Grundlage der Hauptkeule von einem durch Umsetzen des Überwachungslichts erzeugten elektrischen Signal eine Signalkomponente, die mehrere Eigenschwebungssignale enthält, extrahiert; einen Identifizierungsteil (320), der auf der Grundlage der durch den Extraktionsteil (310) extrahierten Signalkomponente eine Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums identifiziert; und einen Berechnungsteil (180), der auf der Grundlage der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums, die durch den Identifizierungsteil (320) identifiziert wird, und des Schwebungssignals eine Differenz zwischen Ausbreitungsentfernungen des Referenzlichts und des Messlichts berechnet.
Messvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 1, wobei der Extraktionsteil (310) enthält: einen fotoelektrischen Umsetzungsteil (312), der das Überwachungslicht in das elektrische Signal umsetzt, und einen Filterteil (314), der innerhalb des elektrischen Signals Signalkomponenten, die eine Frequenz wenigstens größer oder gleich dem Zweifachen der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums enthalten, durchlässt.
Messvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei unter der Annahme, dass die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums v_c ist, eine Ordnung größer als oder gleich 2 der Eigenschwebungssignale auf der Grundlage der Hauptkeule n_c ist und eine Spitzenfrequenz des n_c-ten Eigenschwebungssignals v_c(n_c) ist, der Identifizierungsteil (320) die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums unter Verwendung der folgenden Gleichung identifiziert: $ν_{c} = \frac{ν_{c} (n_{c})}{n_{c}}$
Messvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 1, wobei der Frequenzschieber (112) ein optischer SSB-Modulator (30) ist, der in dem optischen Hohlraum eine Nebenkeule erzeugt, die Laservorrichtung (110) den frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden der Hauptkeule und der Nebenkeule ausgibt, und der Extraktionsteil (310) auf der Grundlage der Nebenkeule von dem durch Umsetzen des Überwachungslichts erzeugten elektrischen Signal die Signalkomponente, die Eigenschwebungssignale enthält, extrahiert.
Messvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 4, wobei der Extraktionsteil (310) enthält: einen fotoelektrischen Umsetzungsteil (312), der das Überwachungslicht in das elektrische Signal umsetzt, und einen Filterteil (314), der innerhalb des elektrischen Signals Signalkomponenten, die kleiner als die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums sind, durchlässt.
Messvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 4 oder 5, wobei unter der Annahme, dass die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums v_c ist, eine Verschiebungsfrequenz des Frequenzschiebers (112) v_s ist, eine Ordnung des Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule n_c ist, die Verschiebungsordnung des Frequenzschiebers (112) n_s ist und eine Spitzenfrequenz, die in der durch den Extraktionsteil (310) extrahierten Signalkomponente enthalten ist, v_cs(n_s, n_c) ist, der Identifizierungsteil (320) die Hohlraumfrequenz v_c des optischen Hohlraums unter Verwendung der folgenden Gleichung identifiziert: $ν_{c} = \frac{ν_{c s} (n_{s}, n_{c})}{n_{c}} - \frac{n_{s}}{n_{c}} ν_{s}$
Messvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 6, wobei der Absolutwert der Ordnung n_c des Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule gleich oder größer als 2 ist.
Messvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 7, wobei die Ordnung n_c des Eigenschwebungssignals auf der Grundlage der Hauptkeule der folgenden Gleichung genügt: $n_{c} = ceil (- n_{s} \frac{ν_{s}}{ν_{c}})$
wobei ceil() eine Funktion ist, die das Bilden der Obergrenze, d. h. das Aufrunden, repräsentiert.
Messvorrichtung (100, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Berechnungsteil (180) eine Differenz d der Ausbreitungsentfernungen zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht mit der folgenden Gleichung berechnet: $d = \frac{v}{2 ν_{s} ν_{c}} [ν_{B} (m, d) + m ν_{c}],$
wobei eine Frequenz v_B(m, d) des Schwebungssignals verwendet wird, die durch Frequenzanalysieren des Schwebungssignals erhalten wird, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und m ein Intervall der Längsmodennummern des frequenzmodulierten Laserstrahls ist.
Messverfahren, das die folgenden Schritte umfasst: Ausgeben eines frequenzmodulierten Laserstrahls mit mehreren Moden einer Hauptkeule von einer Laservorrichtung (110) mit einem Frequenzschieber (112) in einem optischen Hohlraum; Teilen des frequenzmodulierten Laserstrahls in ein Referenzlicht, ein Messlicht und ein Überwachungslicht; Erzeugen eines Schwebungssignals durch Mischen des Referenzlichts und eines reflektierten Lichts, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt (10) reflektiert wird; Umsetzen des Überwachungslichts in ein elektrisches Signal; Extrahieren einer Signalkomponente, die mehrere Eigenschwebungssignale enthält, auf der Grundlage einer Hauptkeule von dem elektrischen Signal; Identifizieren einer Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums auf der Grundlage der extrahierten Signalkomponente; und Berechnen einer Differenz zwischen Ausbreitungsentfernungen des Referenzlichts und des Messlichts auf der Grundlage der identifizierten Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums und des Schwebungssignals.
Messverfahren nach Anspruch 10, wobei der Frequenzschieber (112) ein optischer SSB-Modulator (30) ist, der in dem optischen Hohlraum eine Nebenkeule erzeugt, und das Ausgeben des frequenzmodulierten Laserstrahls das Ausgeben des frequenzmodulierten Laserstrahls mit mehreren Moden der Hauptkeule und der Nebenkeule enthält, und das Extrahieren der Signalkomponente das Extrahieren der Signalkomponente, die Eigenschwebungssignale enthält, auf der Grundlage der Nebenkeule von dem elektrischen Signal enthält.