JP2004527765A - 距離測定用光学センサー - Google Patents
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Abstract
高周波数変調された伝送および反射レーザービーム並びに移相計算を用いて遠隔表面との距離を測定する装置および方法である。移相の解像度を改善するため、検出に先立って伝送ビームと類似するが異なった周波数に反射ビームをさらに変調して応答が正弦されている検波器により用いい検出される、少なくともより低周波数の検波器信号を晶出する。このより低周波数の信号は移相情報を保持し、従って移相情報を、安定で廉価な低周波数光学検波器で決定することが可能である。三次元マッピングを行うことができる。その際、１つ以上の装置が、それぞれが表面の領域についての複数の移相情報を生じる複数の連続反射ビームを発生する複数の検波器またはひとつのスキャナを用いる。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は距離測定用光学装置に関する。特に、本発明は振幅変調光ビームが光学的に粗いかも知れない遠隔表面から反射され、伝送ビームと受信反射ビームの間の位相差を用いてこの遠隔表面の距離が決定される装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振幅変調、位相シフト測定技術の既存の装置は、遠隔表面が再帰反射プリズムのような協働的ターゲットであるときは非常に正確に測定可能である。これらの条件下では、反射ビームは装置が受光するときは比較的高出力であり、超短波変調の光電的検出の達成することが可能である。そのような理想的な条件下では、変調周波数が高くなると、伝送ビームサイクルと反射ビームサイクルの間の位相差が３６０度を通して循環する距離がより短くなり、かつその結果、比較位相測定の所与の正確度に対して、距離測定の正確度がより大きくなる。
【０００３】
簡単にいうと、強度変調ビームが測定ステーションから伝送され、反射ビームが測定ステーションに戻って受光される。伝送ビームと反射ビームとの間の位相差を用いて測定ステーションから遠隔表面への距離が測定される。移相φまたは度（°）で表した位相差が３６０（２ｄ／λ）に等しく、ラジアンで表した位相差が２π（２ｄ／λ）に等しいが、このときｄは測定距離であり、λは強度変調エンベロープに関連する波長である（λ＝ｃ／Ｆ、ここにｃは光の速度であり、Ｆは変調周波数である）。簡単な例を挙げると、Ｆ＝２５×１０６ Ｈｚ、ｃ＝３００×１０６ｍ／ｓおよびｄ＝１．５ｍに対して、得られた移相φは９０度またはπ／２である。よく判るように、ｄ＞λ／２であるならば、位相差は２πラジアンを超え、推測された距離が不明確になるが、これはＦの値を変え、測定を繰り返すことにより解決することができる。
【０００４】
しかしながら、光学的粗面上で測定をすると、受光された反射ビームは低出力であるが、特に、オペレータの目に対する障害の危険を防止するために伝送ビームの出力を制限している場合はそうである。利用可能な光検波器は高周波数で低出力を測定することができない。従って、低出力条件下では、利用可能な光検波器の特性が最高実用変調周波数、信号対ノイズ比（ＳＮ比）を制限し、従って、達成可能な距離測定の正確度に悪影響を及ぼす。変調移相測定に基づく従来の粗面測定システムは、典型的には３０〜５０ｍＷの範囲内の測定ビームを変調周波１０ＭＨｚ〜７００ＭＨｚ程度の変調周波数と組み合わせて使用して、０．１ｍｍ〜数ｍｍの範囲にわたって変動する測距正確度を達成している。なお、クラスＩＩＩＡレーザー製品に許容された最高出力は５ｍＷである。
【０００５】
強度変調、移相測定技術の従来の装置は迅速応答光検波器を用いて、受光された反射ビームの高周波数の返答を検知している。電子ミキサ技術を検波器からの高周波電子出力に適用して、重要な位相情報を保存する低周波数信号を発生するようにしている。しかしながら、光検波器がビームからの情報を解像することができないと、この出力は低ＳＮ比を持つことになる。
【０００６】
低出力反射ビームの実体に即応するように利用可能な光検波器の制限を取り除いたシステムに対する需要がある。
【０００７】
［発明の要約］
従って、本発明の好適な一態様において、レーザービームおよび移相計算を用いるが、迅速光検波器に関連した周波数応答、ＳＮ比または帯域幅応答の制限に遭遇することのない、遠隔表面に対する距離測定の装置および方法が提供される。検出前に、表面から反射された放射線を変調して、伝送および反射された放射線のその特性より低い周波数を持つ放射線信号を創出する。この低周波放射線信号は移相情報を保持しており、そのため安定な、廉価な低周波光検波器を実現することができる。検出に先立ち、受信された放射線を、光変調器を用いて変調して、反射ビームに関連した移相を保存した、光振幅変調の追加の低周波成分を創出するようにしている。従って、得られた移相は低周波数波形内で可能であり、かつ利用可能な光検波器の基本的な物理的限界に近づくが、一方では距離測定の達成可能な正確度を最大化する測定ビーム用高変調周波数を依然として保持している精度で測定することができる。
【０００８】
レーザー測定ビームを用いて、高周波数の第１の波形が遠隔表面に指向された伝送ビームに印加される。検波器において反射ビームを受光する前に、追加の光変調器を用いて別の高周波数の第２の波形を反射ビームに印加する。このように反射ビームをさらに変調すると第１および第２の周波数の差において光振幅変調追加の低周波成分が創出される。低周波数成分は反射ビームに関連した移相を保存しており、測定ビームの相当する参照位相と比較を行うことが可能である。このようにして、情報信号を混合して便利な低周波数にすることが光学的にかつ検出に先立って達成される。その結果、光検波器に関連した周波数応答の限界、達成可能なＳＮ比の限界および応答帯域幅の限界を取り除くことができ、基本的な物理的限界により近づいた正確度で位相を測定することが可能になる。混合して低周波数範囲に落とすことにより得られる利点は、より正確度の高い位相測定が可能であることである。本発明の重要な進歩性は電子信号ではなくて電磁波または光信号を変調する手段を導入することであり、検出に先立って、混合して低周波数範囲まで低下させている。それら検波器の性能制限特性を取り除くことができ、その結果、受光された反射ビームが低出力であるときに距離測定の全体的な正確度が改善される。
【０００９】
従って、表面から反射された第１の電磁放射線信号と第２の電磁放射線信号との間の移相を決定するための装置であって、該第１の電磁放射線信号を第１の周波数を持つ第１の波形信号により変調する第１の変調器と；該第１の波形信号に該第１の周波数と異なる第２の周波数において変調された第２の波形信号を増倍し、既知の位相であり該第１および第２の周波数の差に等しい第３の周波数を持つ第３の波形信号を形成するための第２の変調器と；該第２の電磁放射線信号を該第２の波形信号により変調して第３の電磁放射線信号を形成するための第３の変調器と；該第３の電磁波信号を受信し、かつ該第３の周波数において移動した位相を有する検波器出力波形信号を形成するための電磁放射線検波器と；該第３の波形信号の既知の位相と該移動した位相を比較して該第１および第２の電磁放射線信号の間の移相を確定するための比較器とを備える装置が提供される。好適には、制御器が該第１および第２の電磁放射線信号が通過した距離を該移相から決定するための計算を行う。好適には、該検波器は検波器のアレイであって、該表面の領域からの反射ビームを受光し、移相および該表面のこの限定された空間領域を横切る距離を決定する。さらに、走査により、経路にそって、そして最終的には該遠隔表面６の領域に沿って移相を逐次決定することが可能となる。本発明を具現する装置を複数使用すると表面の二次元および三次元マッピングを得ることができる。
【００１０】
上記装置は第１および第２の電磁放射線信号の間の移相および遠隔表面までの移動距離を決定する新規方法を実施するのを可能にするが、この新規方法は第１の波形信号に第２の周波数において変調された第２の波形信号を増倍して既知の位相と該第１および第２の周波数の差に等しい第３の周波数とを持つ第３の波形信号を確定する工程と；第２の電磁放射線信号を該第２の波形信号により変調して第３の電磁放射線信号を形成する工程と；該第３の電磁放射線信号を検波器において受信して該第３の周波数において移動した位相を有する検波器出力波形信号を確定する工程と；既知の位相と該移動した位相とを比較して該第１および第２の電磁放射線信号の間の移相であって、該遠隔表面までの距離に関係した移相を確定する工程とを備える。好適には、高周波数の第１および第２の電磁放射線信号が、該第１の周波数に実質的に等しい高い第２の周波数を持つ第２の波形信号により変調されて、得られた第３の周波数が容易にかつ正確に検出される低周波数となる。
【００１１】
［発明の説明］
図１において、本発明の一実施形態では、レーザー、例えば廉価なレーザーダイオード２が電磁放射線を第１の電磁放射線信号またはビームＥ１として放射する。レーザー自体またはビームＥ１はビーム整形光学素子３により変調され指向されてビームスプリッター４を横断し、拡大および集束光学素子５を通って該光学素子５から距離ｄだけ隔たった遠隔表面６に至る。表面６は光学的に粗であってその結果ビームＥ１の低出力反射が起き得るものであってもよい。本発明は特に反射のＳＮ比を改善するのに適しているが、本明細書に記載した装置および方法は実質的にすべての場合に測定性能を向上することが明らかである。
【００１２】
ビームＥ１の少なくとも一部分が表面６から第２の電磁放射線信号または反射ビームＥ２として反射されて戻り、この反射ビームＥ２は光学素子５を通って戻る。反射ビームＥ２の少なくとも一部分がビームスプリッター４により変調器７に向けて指向される。光伝送波長に対しては、変調器は光学変調器であればよい。変調器７は反射ビームＥ２を変調して第３の電磁放射線信号Ｅ３を変調し、この信号Ｅ３は少なくとも１個の電磁放射線または光学検波器８に入射しこれにより受信される。
【００１３】
主信号発生器９が位相および周波数を有する電子信号または波形信号を供給する。なお、本明細書において、”Ｗ”が前置された符号は一般に電気または電子信号として提供された波形を表し、”Ｅ”が前置された符号は一般に電磁放射線信号、例えば光ビームとして存在する。
【００１４】
発生器９は少なくとも３つの分離した波形信号：周波数Ｆ１の第１の波形信号Ｗ１、周波数Ｆ２の第２の波形信号Ｗ２、および周波数Ｆ３の第３の波形信号Ｗ３を発生し、信号Ｗ３は第１および第２の波形Ｗ１＊Ｗ２（混光）の増倍の結果得られ、第３の差周波数ΔＦを有する一つの低周波数成分である。本明細書において、文脈から示唆されるように、電磁信号の電子信号による変形を変調という。同様に、一つの電気波形信号の他の電気波形信号による増倍も変調であるとみなされる。
【００１５】
第２の波形信号Ｗ２は第２の周波数Ｆ２としてＦ１−ΔＦまたはＦ１＋ΔＦのいずれかを持つことができる。本明細書において、（本明細書における）整合性のために、この差分信号または第２の波形信号Ｗ２はＦ１−ΔＦの周波数を持つものとみなす。それぞれ周波数Ｆ１、Ｆ２およびΔＦを有する波形信号Ｗ１、Ｗ２およびＷ３は全て、高正確度および安定性を有する共通参照周波数発生器に位相固定されている。低周波数ΔＦの、第３の波形信号Ｗ３は既知の参照位相を有し、参照波形として電子位相比較器１１に供給される。
【００１６】
第１の波形信号Ｗ１は高周波数Ｆ１で選ばれ伝送ビームＥ１を適合性のレーザーダイオード駆動モジュール１０により変調するのに使用される。あるいはまた、ある場合には、ビームＥ１は連続的であってもよく、その変わり波形信号Ｗ１により光学的に変調されていてもよい。
【００１７】
反射ビームＥ２は特徴として伝送ビームＥ１と同じ第１の周波数Ｆ１を保持するが、反射ビームＥ２は、通過した距離のために伝送ビームＥ１のそれからの距離依存移相φを有する。
【００１８】
第２の波形Ｗ２は第２の周波数Ｆ２またはＦ１−ΔＦを有し、光学変調器７を駆動して、反射ビームＥ２を増倍または混光して低周波数成分ΔＦおよび高周波数成分（Ｆ１＋Ｆ２）の双方を含む第３の電磁放射線信号Ｅ３を生じる。
【００１９】
検波器８はこの第３の電磁放射線信号Ｅ３を受信し、かつ、検波器の周波数応答に従って、少なくとも低周波数信号を含む出力信号Ｗｄを生成し、この出力信号Ｗｄは信号処理モジュール１２内で増幅および濾波されてから第４の低周波数波形信号Ｗ４として出力される。この第４の波形信号Ｗ４は第３の波形信号Ｗ３と同じ周波数ΔＦを有するが移相Φも含む。この低周波数の第２の波形信号Ｗ４はまた電子移相比較器１１に供給され、以後、第３の波形Ｗ３からの参照位相と移相の比較をするとともに移相Φの値を決定する。
【００２０】
位相比較器１１からの出力信号Ｃ１はマイクロプロセッサを有する制御装置１３によりサンプリングされる。制御装置１３は位相比較器１１により報告された位相差または移相Φから、遠隔表面６までの距離ｄを計算する処理能力を提供し、さらに変調器７、主信号発生器９、レーザーダイオード駆動モジュール１０、位相比較器１１および信号処理モジュール１２を始めとする種々の部品。の中央制御を提供する。
【００２１】
さらに詳しくは、伝送ビームＥ１は第１の波形信号Ｗ１に変調されてａ＋ｂｓｉｎ（２πＦ１ｔ）の形を持つ。その結果、遠隔表面６からの反射ビームＥ２の電磁放射線信号は実質的にａ＋ｂｓｉｎ（２πＦ１ｔ−φ）の形をもつことになり、移相φ成分が含まれている。本発明に従えば、第２の波形信号Ｗ２はｃ＋ｄｓｉｎ２πＦ２ｔの形を持つ。
【００２２】
反射ビームＥ２を第２の波形信号Ｗ２で変調すると第３の電磁放射線信号Ｅ３が生じる。この変調は反射ビームＥ２の波形の増倍であり、移相Φ成分をその中に有し、この第２の波形Ｗ２は下記の通りである。
【数１】
上記式を展開すると４つの項が生じる。
【数２】
【００２３】
第１および第２の周波数Ｆ１、Ｆ２は典型的には５０ＭＨｚと１ＧＨｚ超の間であり、２ＧＨｚの高さになることさえあるが、差または第３の周波数ΔＦは典型的には５００Ｈｚと１００ｋＨｚの間になるであろう。
【００２４】
検波器８および信号処理モジュール１２の全体の応答のカットオフ周波数または応答を調整してΔＦにおいて安定な応答を提供するが、Ｆ１よりも非常に低いままである（Ｆ１＜＜Ｆ１および＞ΔＦ）。Ｆ１またはＦ２の範囲内に周波数を持つ、第３の電磁放射線信号Ｅ３の成分は高すぎて検波器８から応答を発生しない。ここで、上記展開式において、第２項および第３項は応答を発生するが出力信号Ｗｄには寄与しない。さらに、第１項は広域通過フィルタにより除去することができるＤＣ成分である。
【００２５】
これにより、第４項が残るが、第４項はさらに次のように展開される。
【数３】
【００２６】
また、第１項は優勢かつ高い周波数Ｆ１を持つが、検波器の限界により除去され、それにより最後の項が残る。この最後の項では低周波数成分Ｆ１−Ｆ２＝ΔＦが次のように残る。
【数４】
【００２７】
上記の残った項は検波器７からの第２の波形信号Ｗ４出力を形成し、周波数ΔＦの低周波数成分のみを含むが、反射ビームＥ２に特徴的な移相φを保持し続けている。
【００２８】
上述のように、低周波数ΔＦの第４の波形信号Ｗ４は電子移相比較器１１に供給され第３の波形Ｗ３からの参照位相と移相を比較して、例えばφ＝２π（２ｄ／λ）の解を求め、推定距離の不明確さを解決することによって、移相φの値を確定し、遠隔表面６までの距離ｄを決定する。
【００２９】
測定は追加の光学素子を使用してさらに改善することができる。図２を参照すると、光学部品の配置をビームスプリッター４の近傍に用いて、内部光学表面からの戻り反射により、かつ遠隔表面６を照らす周囲光の集束により引き起こされる測定正確度の低下を最低限にすることができる。従って、ビームＥ１はレンズ１４により拡大され、不十分に満たされたレンズ１５により平行化されて（図示しない）遠隔表面６上に焦点を結ぶ。表面６が光学的に粗であるならば、後方反射された放射線は広角度に散乱され、受光された放射線がレンズ１５のアパーチュアを完全に満たすのを保証する。これらの条件下で、ビームスプリッター４はアパーチュアミラーにより置き換えて、内部に発生する出力ビームからの散乱を最小限にするようにしてもよい。空間フィルタ１７が周囲光を遠隔表面６上の焦点のすぐ近くの光に制限する。偏光フィルター１８を用いて内部光学素子表面からの線型に偏光された出力ビームＥ１の迷走反射の強度を低下させてもよい。出力ビームＥ１が自然には高度に線型に偏光されないならば、追加の偏光フィルター１９を設けて線型に偏光されたビームを創出してもよい。四分の一波長板２０を用いて得られた反射ビームＥ２の偏光面を回転させてビームＥ２が偏光フィルター１８を通って効率よく伝送されることを保証するようにしてもよい。しかしながら、遠隔表面６が光学的に粗であるならば、反射ビームＥ２は通常その波長板２０が役に立たない程度に偏光解消される。狭帯域光学素子フィルタ２１は集束した放射線の波長をレーザーダイオード源の波長を中心とする狭帯域に制限することにより、さらに周囲光を拒絶する。最後に、レンズ２２およびそれに続く光学部品は効率的な伝送が光変調器７により達成されるように選択される。
【００３０】
追加の態様において、装置および方法に種々の変更を行うことが可能である。光変調器７は音響光学的または電気−光学的装置であってもよい。さらに、距離測定のための振幅−変調位相測定技術の既知の構成では、１つより多い変調周波数Ｆ１を伝送ビームＥ１(その他の広範囲法に用いて範囲不明確間隔３×１０８／（２Ｆ１）メートルに関連する不確かさを除去する必要がある。主信号発生器９は必要に応じて追加の駆動および参照周波数を提供するように設計してもよい。光変調器７はまた自動制御ループの一部を形成して検波器７により受光されたビームＥ３の平均出力レベルを調整するようにしてもよい。しかしながら、その場合は変調器駆動装置と接続した変調器により示される振幅依存移相を補償する必要がある。
【００３１】
任意の電磁放射線源を用いて本発明を実施することができるが、レーザー源がもっとも強い出力ビームを提供する。利用可能なレーザー源のうち、可視または近赤外放射線を放射するレーザーダイオードがもっとも適切であるが、その理由はコンパクトであり、電気的に効率がよく、十分なビーム出力とビーム品質を提供するからである。超光発光ダイオード源を使用するとレーザースペックルに伴う光学的効果を最小限にするのに好適であろう。さらに、レーザーダイオードを非常に高い周波数で直接変調することができる。このレーザー源が直接変調することができないならば、追加の光学的変調器をビーム整形光学素子３とビームスプリッター４との間に導入してもよい。電磁放射線の波長は２００ｎｍ〜５０μｍの範囲内にあればよいが、廉価な放射装置が市販されていることから、テレコム波長（１３００〜１５５０ｎｍ）が特に有用である。
【００３２】
検波器８は特定の電磁放射線信号および検出差周波数ΔＦに適するように最適化してもよい。可視および近赤外放射線については、低ノイズトランスインピーダンス増幅器に接続された小領域シリコンまたはインジウムガリウムヒ素ダイオードが好適な選択である。
【００３３】
遠隔表面の二次元または三次元マップを開発するためには、本発明を具現する１つまたはそれ以上の器具を用いて複数の距離測定を行うことができ、その場合、この１つまたは以上の器具は複数の反射ビームの光学的変調を実施する。複数の反射ビームＥ２と、それに関連した移相とを得るために、検波器８に、複数の変調電磁信号Ｅ３を受光するための若干の空間的性能を備えるか、または空間的に制限された検波器に複数の逐次信号Ｅ３を提供する。前者の場合、十分なアパーチュアの変調器７または複数の変調器が複数の反射ビームＥ２を変更し、変更されたビームＥ３をアレイ検波器に入射する。従って、距離測定は、遠隔表面における一つの領域または複数の検波器出力波形信号が相当する一連の場所にわたって行うことができる。あるいはまた、測定ビームＥ１は、集光光学素子５と遠隔表面６との間に配置された光学的走査機構により、遠隔表面６を横切る経路に沿って指向させてもよい。そのような精度合わせ能力を有する装置は上記光学素子と上記表面との間に配置された直接駆動される、ジンバルマウントされているか、または迅速に舵取りできるミラーである。複数の反射ビームＥ２が検波器７に、好ましくは順次、保持されており、各移相φと上記表面上の各位置における移動距離ｄとを順次決定する。
【実施例１】
【００３４】
図３〜８を参照して、単純化した実際的な理論的実施例を説明する。本実施例においては、周波数Ｆ１が１ＧＨｚである波形Ｅ１を有する伝送ビームが遠隔表面６に指向される。周波数Ｆ１を保持する反射ビームＥ２を、周波数Ｆ２において変調用波形Ｗ３を用いて変調し、検波器７に受光される前に混光電磁放射線を創出する。この変調用ビームＷ３の周波数Ｆ２は、生じた移相φをより実際的にかつ図解する差周波数ΔＦを生じるように選んだ。基本的に、
Ｅ１＝Ｓｉｎ（２πＦ１ｔ）
ここに、Ｆ１＝１ＧＨｚ、ＤＣオフセットなし；かつ
Ｅ２＝Ｓｉｎ（２πＦ２ｔ−φ）
ここに、Ｅ２は往復２ｄによる移相Ｅ１であり；
φ＝４πＦ１ｄ／ｃ、ｃ＝３×１０８ｍｓ−１；かつ
ｄ＝（３７．５＋ｎ＊１５０）ｍｍはφ＝π／２ラジアンをもたらす。
伝送波形Ｅ１、および反射波形Ｅ２を図３に示す。
【００３５】
本発明によれば、周波数Ｆ２において変調用波形Ｗ３を反射波形Ｅ２に印加する。高正確度で適用される実際の適用においては、変調周波数Ｆ２は、Ｆ２＝０．９９９９９９ＧＨｚで、ΔＦが１ｋＨｚだけＦ１から移動しているような、伝送周波数Ｆ１とほとんど同じであるように選択する。しかしながら、得られた相対周波数（Ｆ１−Ｆ２）／Ｆ１＝１０−６はグラフ表示が困難である。
【００３６】
従って、図４を参照すると、そして（例示目的で）本発明の方法の結果の重要な局面を視覚化するために、代わりに、Ｆ１＝１ＧＨｚおよびＦ２＝０．９５ＧＨｚの場合を考察する。
Ｗ２＝Ｓｉｎ（２πＦ２ｔ）
Ｆ２＝０．９５ＧＨｚ、ＤＣオフセットなし、
Ｆ２はＦ１から０．０５ＧＨｚ移動している。
【００３７】
反射信号Ｅ２を変調用第３の波形Ｅ２で増倍すると、Ｗ３が出力信号Ｅ４中に下記のように生じる。
【数５】
ここに、
Ｗ４は光学検波器により検知できる周波数であり；
Ｗ６は従来の検波器の周波数限界を超えている。
【００３８】
従って、Ｆ１＝１ＧＨｚおよびＦ２＝０．９５ＧＨｚで、かつ距離に関連した移相φに対してπ／２の値では、Ｅ２＝Ｓｉｎ（２π＊１０９ｔ−π／２）およびＥ３＝Ｓｉｎ（２π＊０．９５＊１０９ｔ）を得る。
【００３９】
図５〜図７を参照すると、波形Ｅ３、Ｗ４およびＷ６が生じる。伝送波形Ｅ１、受光波形Ｅ２は正確な高周波数Ｆになっている。変調波形も高周波数であるがわずかに異なる周波数、ここに示すようにわずかに低い周波数になっている。波形Ｅ２とＷ２を組み合わせた結果、波形Ｗ４が生じるが、この波形Ｗ４は同じ移相φを示す２つの波形の差である。
【００４０】
波形Ｗ４はπ／２移相を保存する余弦波であり、有利なことに測定可能かつ低周波数差Ｆ１−Ｆ２である。一方、Ｗ６は高周波の合計Ｆ１＋Ｆ２である。往復距離ｄの測定を可能にするのは、周波数Ｆ１の測定ビームに課された移相φである。
【実施例２】
【００４１】
図９を参照すると、簡単なインライン実験装置を使用して本発明の測定原理を実証した。
【００４２】
粗い物体または表面６から反射されて戻ったものをエミュレートしている低出力の１ＧＨｚレーザービームを５００Ｈｚの周波数で変調した。ファイバ受光器３１からのファイバ発光器３０の距離ｄを直線移動ステージを用いて精確に変化させた。本発明を実施して距離ｄを決定する際に、検波器８で１ｍｍ当たり１．２°の移動の精度で移相φを測定した。検波器８はこの精度を達成するのに５００Ｈｚを超える周波数に反応することを必要としなかった。この精度が達成された理由はこの移相がいまや測定可能になったが、その一方で３００ｍｍ（０．３ｍ）の波長を有する１ＧＨｚ出力ビームを依然として使用しているからである。１．２°の移動解像度は１．２／３６０＊３００ｍｍ＝１ｍｍである。これに対して、実際的ではないものの、５００Ｈｚ測定ビームから移相φを直接測定することが可能な光学検波器８は６×１０５ｍの関連波長を有し、１．２°の正確度は２０００ｍもの大きさの移動を表すことになろう。
【００４３】
本実験では、１ｍＷの、ピグテールファイバを有する１５５０ｎｍレーザーダイオード２９（ＰＤ−ＬＤ社、部品番号ＰＬ１５Ｎ００１ＴＦＣＡ−０−０−０１）３２を作動してビーム３３を発光するが、これは表面から受光したビームをエミュレートしている。このビーム３３をレンズ３４（エドモンド・インダストリアル・オプチクス社、部品番号Ｌ４５−８０６）によりファイバ発光器３０において平行化して直径１〜２ｃｍの平行ビーム３５を形成した。このビーム３５をファイバ受光器３１において偏光器３６（ラムダ・リサーチ・オプチクス社、部品番号１５５０−ＰＢ−０５Ｂ−１５００）および狭帯域光フィルタ３７（ラムダ・リサーチ・オプチクス社、部品番号１５５０−Ｆ３０−２５．４）を通した。ビーム３５はピグテールファイバを有する１５５０ｎｍテレコム変調器３８の９μｍコア入射面に直接落とした。偏光器３６は直線偏光放射線だけが偏光器ピグテール３８に入射することを保証した。これは変調効率を高くするために必要な条件である。狭帯域光学フィルタ３７は通過帯域スペクトルを、１５５０ｎｍを中心とする狭い領域に制限することにより、議事放射線の集積を最小限にした。ビーム３５を変調器ピグテール３８内に集束させるのにレンズを用いたため、変調器３８を通過するピーク出力は１０〜１００ｐＷの範囲内であり、５〜１０ｍの範囲の粗面において測定したときに得られる出力レベルと類似している。発光および受光装置の分離はこれら装置の一方を直線移動ステージ３９上に載せることにより正確に変化させた。検波器８は高ゲイントランスインピーダンス増幅器をと７５０Ｈｚ電子応答帯域を持つ低ノイズのＩｎＧａＡｓ ＰＩＮダイオード（ニュー・フォーカス社、部品番号２１５３）である。
【００４４】
フルーク型６０６０Ａ寝具発生器４０を用いて第１の正弦波信号Ｆ１を１ＧＨｚにおいて発生させ、かつ発光レーザーダイオード出力３５を市販の駆動装置４１（マキシム社、部品番号Ｍａｘ３２６１）により変調した。０．９９９９９９５ＧＨｚの第２の正弦波信号Ｆ２はＨＰ型８５６０スペクトル分析器（図示しない）から、内蔵の追跡信号発生機能を使用して１ＧＨｚ信号および０．９９９９９９５ＧＨｚ信号を同じマスタークロックに効果的にロックして、得た。この０．９９９９９９５ＧＨｚ信号を使用して、直列に使用した２つの市販の駆動装置４２（供給元：ＷＪコミュニケーション社、部品番号ＡＨ１０２）を有するテレコム変調器３８により、反射ビームを変調した。電子ミキサ４３が位相参照信号を発生して高周波駆動信号の不安定性により生じる変動を追跡した。高精度ロックイン増幅器４４（供給元：スタンフォード・リサーチ・システムズ社、部品番号ＳＲ８３０）が、０．０１°程度の正確度で、得られた第３の５００Ｈｚ波形信号Ｗ３、Ｗ４の位相比較を可能にした。この説明の装置は５００Ｈｚ参照信号Ｗ３と５００Ｈｚ検出新語うＷ４の間で遅い、ランダムな位相変動を示したが、これは多分レーザー、変調器または駆動装置の不安定性が補償されていないためであると考えられる。
【００４５】
ファイバ発光器３０とファイバ受光器３１との間の分離は直線移動ステージ３９を用いて変えた。本実験においては、ファイバ発光器３０とファイバ受光器３１との間の分離を変えると、位相変動は遅いにも関わらず、ほぼ１．２°／ｍｍの移動の繰り返し可能な位相φを得た。本実験および結果により１ＧＨｚ変調に対して予想されていた位相感度が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明を具現するのに必要な主要部品の配置を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明の測定正確度を最適化する光部品の配置を示す図である。
【図３】本発明の第１の概略理論例の装置を示す概略図である。
【図４】図３の第１の例に従うグラフであり、伝送ビームＥ１および反射ビームＥ２の移相検波器の応答を示す。
【図５】図３の第１の例に従うグラフであり、反射ビームＥ２および変調用第２の波形信号Ｗ２の個別の波形信号を示す。
【図６】図３の第１の例に従うグラフであり、反射ビームＥ２および変調用第２の波形信号Ｗ２の個別の波形信号の電気−光学増倍または変調Ｅ２×Ｗ２を示す。
【図７】図３の第１の例に従うグラフであり、図６の信号Ｅ３の低周波数成分Ｗ４を示す。
【図８】図３の第１の例に従うグラフであり、図６の信号Ｅ３の高周波数成分Ｓ６を示す。
【図９】１ＧＨｚ測定ビームを用いた本発明の移相感度を提供する実際の実験の第２の例の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
２ レーザーダイオード
３ ビーム整形光学素子
４ ビームスプリッター
５ 光学素子
６ 遠隔表面
７ 光変調器
８ 検波器
９ 主信号発生器
１０ レーザ駆動モジュール
１１ 位相比較器
１２ 信号処理モジュール
１３ 中央制御器
１４ レンズ
１５ レンズ
１７ 空間フィルター
１８ 偏光フィルター
１９ 偏光フィルター
２０ 四分の一波長板
２１ 狭帯域光学素子フィルター
２２ レンズ
２９ レーザ
３０ ファイバ発光器
３１ ファイバ受光器
３３ ファイバ発光器
３４ レンズ
３５ ビーム
３６ 偏光器
３７ 光フィルタ
３８ 変調器
４０ 信号発生器
４１ 駆動装置
４２ 変調器
４３ 電子ミキサ
４４ ロックイン増幅器
位相比較器
Ｅ１ 伝送ビーム
Ｅ２ 反射ビーム
Ｅ３ 電磁放射線信号
Ｗ１ 波形信号
Ｗ２ 波形信号
Ｗ３ 波形信号
【０００１】
本発明は距離測定用光学装置に関する。特に、本発明は振幅変調光ビームが光学的に粗いかも知れない遠隔表面から反射され、伝送ビームと受信反射ビームの間の位相差を用いてこの遠隔表面の距離が決定される装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振幅変調、位相シフト測定技術の既存の装置は、遠隔表面が再帰反射プリズムのような協働的ターゲットであるときは非常に正確に測定可能である。これらの条件下では、反射ビームは装置が受光するときは比較的高出力であり、超短波変調の光電的検出の達成することが可能である。そのような理想的な条件下では、変調周波数が高くなると、伝送ビームサイクルと反射ビームサイクルの間の位相差が３６０度を通して循環する距離がより短くなり、かつその結果、比較位相測定の所与の正確度に対して、距離測定の正確度がより大きくなる。
【０００３】
簡単にいうと、強度変調ビームが測定ステーションから伝送され、反射ビームが測定ステーションに戻って受光される。伝送ビームと反射ビームとの間の位相差を用いて測定ステーションから遠隔表面への距離が測定される。移相φまたは度（°）で表した位相差が３６０（２ｄ／λ）に等しく、ラジアンで表した位相差が２π（２ｄ／λ）に等しいが、このときｄは測定距離であり、λは強度変調エンベロープに関連する波長である（λ＝ｃ／Ｆ、ここにｃは光の速度であり、Ｆは変調周波数である）。簡単な例を挙げると、Ｆ＝２５×１０６ Ｈｚ、ｃ＝３００×１０６ｍ／ｓおよびｄ＝１．５ｍに対して、得られた移相φは９０度またはπ／２である。よく判るように、ｄ＞λ／２であるならば、位相差は２πラジアンを超え、推測された距離が不明確になるが、これはＦの値を変え、測定を繰り返すことにより解決することができる。
【０００４】
しかしながら、光学的粗面上で測定をすると、受光された反射ビームは低出力であるが、特に、オペレータの目に対する障害の危険を防止するために伝送ビームの出力を制限している場合はそうである。利用可能な光検波器は高周波数で低出力を測定することができない。従って、低出力条件下では、利用可能な光検波器の特性が最高実用変調周波数、信号対ノイズ比（ＳＮ比）を制限し、従って、達成可能な距離測定の正確度に悪影響を及ぼす。変調移相測定に基づく従来の粗面測定システムは、典型的には３０〜５０ｍＷの範囲内の測定ビームを変調周波１０ＭＨｚ〜７００ＭＨｚ程度の変調周波数と組み合わせて使用して、０．１ｍｍ〜数ｍｍの範囲にわたって変動する測距正確度を達成している。なお、クラスＩＩＩＡレーザー製品に許容された最高出力は５ｍＷである。
【０００５】
強度変調、移相測定技術の従来の装置は迅速応答光検波器を用いて、受光された反射ビームの高周波数の返答を検知している。電子ミキサ技術を検波器からの高周波電子出力に適用して、重要な位相情報を保存する低周波数信号を発生するようにしている。しかしながら、光検波器がビームからの情報を解像することができないと、この出力は低ＳＮ比を持つことになる。
【０００６】
低出力反射ビームの実体に即応するように利用可能な光検波器の制限を取り除いたシステムに対する需要がある。
【０００７】
［発明の要約］
従って、本発明の好適な一態様において、レーザービームおよび移相計算を用いるが、迅速光検波器に関連した周波数応答、ＳＮ比または帯域幅応答の制限に遭遇することのない、遠隔表面に対する距離測定の装置および方法が提供される。検出前に、表面から反射された放射線を変調して、伝送および反射された放射線のその特性より低い周波数を持つ放射線信号を創出する。この低周波放射線信号は移相情報を保持しており、そのため安定な、廉価な低周波光検波器を実現することができる。検出に先立ち、受信された放射線を、光変調器を用いて変調して、反射ビームに関連した移相を保存した、光振幅変調の追加の低周波成分を創出するようにしている。従って、得られた移相は低周波数波形内で可能であり、かつ利用可能な光検波器の基本的な物理的限界に近づくが、一方では距離測定の達成可能な正確度を最大化する測定ビーム用高変調周波数を依然として保持している精度で測定することができる。
【０００８】
レーザー測定ビームを用いて、高周波数の第１の波形が遠隔表面に指向された伝送ビームに印加される。検波器において反射ビームを受光する前に、追加の光変調器を用いて別の高周波数の第２の波形を反射ビームに印加する。このように反射ビームをさらに変調すると第１および第２の周波数の差において光振幅変調追加の低周波成分が創出される。低周波数成分は反射ビームに関連した移相を保存しており、測定ビームの相当する参照位相と比較を行うことが可能である。このようにして、情報信号を混合して便利な低周波数にすることが光学的にかつ検出に先立って達成される。その結果、光検波器に関連した周波数応答の限界、達成可能なＳＮ比の限界および応答帯域幅の限界を取り除くことができ、基本的な物理的限界により近づいた正確度で位相を測定することが可能になる。混合して低周波数範囲に落とすことにより得られる利点は、より正確度の高い位相測定が可能であることである。本発明の重要な進歩性は電子信号ではなくて電磁波または光信号を変調する手段を導入することであり、検出に先立って、混合して低周波数範囲まで低下させている。それら検波器の性能制限特性を取り除くことができ、その結果、受光された反射ビームが低出力であるときに距離測定の全体的な正確度が改善される。
【０００９】
従って、表面から反射された第１の電磁放射線信号と第２の電磁放射線信号との間の移相を決定するための装置であって、該第１の電磁放射線信号を第１の周波数を持つ第１の波形信号により変調する第１の変調器と；該第１の波形信号に該第１の周波数と異なる第２の周波数において変調された第２の波形信号を増倍し、既知の位相であり該第１および第２の周波数の差に等しい第３の周波数を持つ第３の波形信号を形成するための第２の変調器と；該第２の電磁放射線信号を該第２の波形信号により変調して第３の電磁放射線信号を形成するための第３の変調器と；該第３の電磁波信号を受信し、かつ該第３の周波数において移動した位相を有する検波器出力波形信号を形成するための電磁放射線検波器と；該第３の波形信号の既知の位相と該移動した位相を比較して該第１および第２の電磁放射線信号の間の移相を確定するための比較器とを備える装置が提供される。好適には、制御器が該第１および第２の電磁放射線信号が通過した距離を該移相から決定するための計算を行う。好適には、該検波器は検波器のアレイであって、該表面の領域からの反射ビームを受光し、移相および該表面のこの限定された空間領域を横切る距離を決定する。さらに、走査により、経路にそって、そして最終的には該遠隔表面６の領域に沿って移相を逐次決定することが可能となる。本発明を具現する装置を複数使用すると表面の二次元および三次元マッピングを得ることができる。
【００１０】
上記装置は第１および第２の電磁放射線信号の間の移相および遠隔表面までの移動距離を決定する新規方法を実施するのを可能にするが、この新規方法は第１の波形信号に第２の周波数において変調された第２の波形信号を増倍して既知の位相と該第１および第２の周波数の差に等しい第３の周波数とを持つ第３の波形信号を確定する工程と；第２の電磁放射線信号を該第２の波形信号により変調して第３の電磁放射線信号を形成する工程と；該第３の電磁放射線信号を検波器において受信して該第３の周波数において移動した位相を有する検波器出力波形信号を確定する工程と；既知の位相と該移動した位相とを比較して該第１および第２の電磁放射線信号の間の移相であって、該遠隔表面までの距離に関係した移相を確定する工程とを備える。好適には、高周波数の第１および第２の電磁放射線信号が、該第１の周波数に実質的に等しい高い第２の周波数を持つ第２の波形信号により変調されて、得られた第３の周波数が容易にかつ正確に検出される低周波数となる。
【００１１】
［発明の説明］
図１において、本発明の一実施形態では、レーザー、例えば廉価なレーザーダイオード２が電磁放射線を第１の電磁放射線信号またはビームＥ１として放射する。レーザー自体またはビームＥ１はビーム整形光学素子３により変調され指向されてビームスプリッター４を横断し、拡大および集束光学素子５を通って該光学素子５から距離ｄだけ隔たった遠隔表面６に至る。表面６は光学的に粗であってその結果ビームＥ１の低出力反射が起き得るものであってもよい。本発明は特に反射のＳＮ比を改善するのに適しているが、本明細書に記載した装置および方法は実質的にすべての場合に測定性能を向上することが明らかである。
【００１２】
ビームＥ１の少なくとも一部分が表面６から第２の電磁放射線信号または反射ビームＥ２として反射されて戻り、この反射ビームＥ２は光学素子５を通って戻る。反射ビームＥ２の少なくとも一部分がビームスプリッター４により変調器７に向けて指向される。光伝送波長に対しては、変調器は光学変調器であればよい。変調器７は反射ビームＥ２を変調して第３の電磁放射線信号Ｅ３を変調し、この信号Ｅ３は少なくとも１個の電磁放射線または光学検波器８に入射しこれにより受信される。
【００１３】
主信号発生器９が位相および周波数を有する電子信号または波形信号を供給する。なお、本明細書において、”Ｗ”が前置された符号は一般に電気または電子信号として提供された波形を表し、”Ｅ”が前置された符号は一般に電磁放射線信号、例えば光ビームとして存在する。
【００１４】
発生器９は少なくとも３つの分離した波形信号：周波数Ｆ１の第１の波形信号Ｗ１、周波数Ｆ２の第２の波形信号Ｗ２、および周波数Ｆ３の第３の波形信号Ｗ３を発生し、信号Ｗ３は第１および第２の波形Ｗ１＊Ｗ２（混光）の増倍の結果得られ、第３の差周波数ΔＦを有する一つの低周波数成分である。本明細書において、文脈から示唆されるように、電磁信号の電子信号による変形を変調という。同様に、一つの電気波形信号の他の電気波形信号による増倍も変調であるとみなされる。
【００１５】
第２の波形信号Ｗ２は第２の周波数Ｆ２としてＦ１−ΔＦまたはＦ１＋ΔＦのいずれかを持つことができる。本明細書において、（本明細書における）整合性のために、この差分信号または第２の波形信号Ｗ２はＦ１−ΔＦの周波数を持つものとみなす。それぞれ周波数Ｆ１、Ｆ２およびΔＦを有する波形信号Ｗ１、Ｗ２およびＷ３は全て、高正確度および安定性を有する共通参照周波数発生器に位相固定されている。低周波数ΔＦの、第３の波形信号Ｗ３は既知の参照位相を有し、参照波形として電子位相比較器１１に供給される。
【００１６】
第１の波形信号Ｗ１は高周波数Ｆ１で選ばれ伝送ビームＥ１を適合性のレーザーダイオード駆動モジュール１０により変調するのに使用される。あるいはまた、ある場合には、ビームＥ１は連続的であってもよく、その変わり波形信号Ｗ１により光学的に変調されていてもよい。
【００１７】
反射ビームＥ２は特徴として伝送ビームＥ１と同じ第１の周波数Ｆ１を保持するが、反射ビームＥ２は、通過した距離のために伝送ビームＥ１のそれからの距離依存移相φを有する。
【００１８】
第２の波形Ｗ２は第２の周波数Ｆ２またはＦ１−ΔＦを有し、光学変調器７を駆動して、反射ビームＥ２を増倍または混光して低周波数成分ΔＦおよび高周波数成分（Ｆ１＋Ｆ２）の双方を含む第３の電磁放射線信号Ｅ３を生じる。
【００１９】
検波器８はこの第３の電磁放射線信号Ｅ３を受信し、かつ、検波器の周波数応答に従って、少なくとも低周波数信号を含む出力信号Ｗｄを生成し、この出力信号Ｗｄは信号処理モジュール１２内で増幅および濾波されてから第４の低周波数波形信号Ｗ４として出力される。この第４の波形信号Ｗ４は第３の波形信号Ｗ３と同じ周波数ΔＦを有するが移相Φも含む。この低周波数の第２の波形信号Ｗ４はまた電子移相比較器１１に供給され、以後、第３の波形Ｗ３からの参照位相と移相の比較をするとともに移相Φの値を決定する。
【００２０】
位相比較器１１からの出力信号Ｃ１はマイクロプロセッサを有する制御装置１３によりサンプリングされる。制御装置１３は位相比較器１１により報告された位相差または移相Φから、遠隔表面６までの距離ｄを計算する処理能力を提供し、さらに変調器７、主信号発生器９、レーザーダイオード駆動モジュール１０、位相比較器１１および信号処理モジュール１２を始めとする種々の部品。の中央制御を提供する。
【００２１】
さらに詳しくは、伝送ビームＥ１は第１の波形信号Ｗ１に変調されてａ＋ｂｓｉｎ（２πＦ１ｔ）の形を持つ。その結果、遠隔表面６からの反射ビームＥ２の電磁放射線信号は実質的にａ＋ｂｓｉｎ（２πＦ１ｔ−φ）の形をもつことになり、移相φ成分が含まれている。本発明に従えば、第２の波形信号Ｗ２はｃ＋ｄｓｉｎ２πＦ２ｔの形を持つ。
【００２２】
反射ビームＥ２を第２の波形信号Ｗ２で変調すると第３の電磁放射線信号Ｅ３が生じる。この変調は反射ビームＥ２の波形の増倍であり、移相Φ成分をその中に有し、この第２の波形Ｗ２は下記の通りである。
【数１】
【数２】
第１および第２の周波数Ｆ１、Ｆ２は典型的には５０ＭＨｚと１ＧＨｚ超の間であり、２ＧＨｚの高さになることさえあるが、差または第３の周波数ΔＦは典型的には５００Ｈｚと１００ｋＨｚの間になるであろう。
【００２４】
検波器８および信号処理モジュール１２の全体の応答のカットオフ周波数または応答を調整してΔＦにおいて安定な応答を提供するが、Ｆ１よりも非常に低いままである（Ｆ１＜＜Ｆ１および＞ΔＦ）。Ｆ１またはＦ２の範囲内に周波数を持つ、第３の電磁放射線信号Ｅ３の成分は高すぎて検波器８から応答を発生しない。ここで、上記展開式において、第２項および第３項は応答を発生するが出力信号Ｗｄには寄与しない。さらに、第１項は広域通過フィルタにより除去することができるＤＣ成分である。
【００２５】
これにより、第４項が残るが、第４項はさらに次のように展開される。
【数３】
また、第１項は優勢かつ高い周波数Ｆ１を持つが、検波器の限界により除去され、それにより最後の項が残る。この最後の項では低周波数成分Ｆ１−Ｆ２＝ΔＦが次のように残る。
【数４】
上記の残った項は検波器７からの第２の波形信号Ｗ４出力を形成し、周波数ΔＦの低周波数成分のみを含むが、反射ビームＥ２に特徴的な移相φを保持し続けている。
【００２８】
上述のように、低周波数ΔＦの第４の波形信号Ｗ４は電子移相比較器１１に供給され第３の波形Ｗ３からの参照位相と移相を比較して、例えばφ＝２π（２ｄ／λ）の解を求め、推定距離の不明確さを解決することによって、移相φの値を確定し、遠隔表面６までの距離ｄを決定する。
【００２９】
測定は追加の光学素子を使用してさらに改善することができる。図２を参照すると、光学部品の配置をビームスプリッター４の近傍に用いて、内部光学表面からの戻り反射により、かつ遠隔表面６を照らす周囲光の集束により引き起こされる測定正確度の低下を最低限にすることができる。従って、ビームＥ１はレンズ１４により拡大され、不十分に満たされたレンズ１５により平行化されて（図示しない）遠隔表面６上に焦点を結ぶ。表面６が光学的に粗であるならば、後方反射された放射線は広角度に散乱され、受光された放射線がレンズ１５のアパーチュアを完全に満たすのを保証する。これらの条件下で、ビームスプリッター４はアパーチュアミラーにより置き換えて、内部に発生する出力ビームからの散乱を最小限にするようにしてもよい。空間フィルタ１７が周囲光を遠隔表面６上の焦点のすぐ近くの光に制限する。偏光フィルター１８を用いて内部光学素子表面からの線型に偏光された出力ビームＥ１の迷走反射の強度を低下させてもよい。出力ビームＥ１が自然には高度に線型に偏光されないならば、追加の偏光フィルター１９を設けて線型に偏光されたビームを創出してもよい。四分の一波長板２０を用いて得られた反射ビームＥ２の偏光面を回転させてビームＥ２が偏光フィルター１８を通って効率よく伝送されることを保証するようにしてもよい。しかしながら、遠隔表面６が光学的に粗であるならば、反射ビームＥ２は通常その波長板２０が役に立たない程度に偏光解消される。狭帯域光学素子フィルタ２１は集束した放射線の波長をレーザーダイオード源の波長を中心とする狭帯域に制限することにより、さらに周囲光を拒絶する。最後に、レンズ２２およびそれに続く光学部品は効率的な伝送が光変調器７により達成されるように選択される。
【００３０】
追加の態様において、装置および方法に種々の変更を行うことが可能である。光変調器７は音響光学的または電気−光学的装置であってもよい。さらに、距離測定のための振幅−変調位相測定技術の既知の構成では、１つより多い変調周波数Ｆ１を伝送ビームＥ１(その他の広範囲法に用いて範囲不明確間隔３×１０８／（２Ｆ１）メートルに関連する不確かさを除去する必要がある。主信号発生器９は必要に応じて追加の駆動および参照周波数を提供するように設計してもよい。光変調器７はまた自動制御ループの一部を形成して検波器７により受光されたビームＥ３の平均出力レベルを調整するようにしてもよい。しかしながら、その場合は変調器駆動装置と接続した変調器により示される振幅依存移相を補償する必要がある。
【００３１】
任意の電磁放射線源を用いて本発明を実施することができるが、レーザー源がもっとも強い出力ビームを提供する。利用可能なレーザー源のうち、可視または近赤外放射線を放射するレーザーダイオードがもっとも適切であるが、その理由はコンパクトであり、電気的に効率がよく、十分なビーム出力とビーム品質を提供するからである。超光発光ダイオード源を使用するとレーザースペックルに伴う光学的効果を最小限にするのに好適であろう。さらに、レーザーダイオードを非常に高い周波数で直接変調することができる。このレーザー源が直接変調することができないならば、追加の光学的変調器をビーム整形光学素子３とビームスプリッター４との間に導入してもよい。電磁放射線の波長は２００ｎｍ〜５０μｍの範囲内にあればよいが、廉価な放射装置が市販されていることから、テレコム波長（１３００〜１５５０ｎｍ）が特に有用である。
【００３２】
検波器８は特定の電磁放射線信号および検出差周波数ΔＦに適するように最適化してもよい。可視および近赤外放射線については、低ノイズトランスインピーダンス増幅器に接続された小領域シリコンまたはインジウムガリウムヒ素ダイオードが好適な選択である。
【００３３】
遠隔表面の二次元または三次元マップを開発するためには、本発明を具現する１つまたはそれ以上の器具を用いて複数の距離測定を行うことができ、その場合、この１つまたは以上の器具は複数の反射ビームの光学的変調を実施する。複数の反射ビームＥ２と、それに関連した移相とを得るために、検波器８に、複数の変調電磁信号Ｅ３を受光するための若干の空間的性能を備えるか、または空間的に制限された検波器に複数の逐次信号Ｅ３を提供する。前者の場合、十分なアパーチュアの変調器７または複数の変調器が複数の反射ビームＥ２を変更し、変更されたビームＥ３をアレイ検波器に入射する。従って、距離測定は、遠隔表面における一つの領域または複数の検波器出力波形信号が相当する一連の場所にわたって行うことができる。あるいはまた、測定ビームＥ１は、集光光学素子５と遠隔表面６との間に配置された光学的走査機構により、遠隔表面６を横切る経路に沿って指向させてもよい。そのような精度合わせ能力を有する装置は上記光学素子と上記表面との間に配置された直接駆動される、ジンバルマウントされているか、または迅速に舵取りできるミラーである。複数の反射ビームＥ２が検波器７に、好ましくは順次、保持されており、各移相φと上記表面上の各位置における移動距離ｄとを順次決定する。
【実施例１】
【００３４】
図３〜８を参照して、単純化した実際的な理論的実施例を説明する。本実施例においては、周波数Ｆ１が１ＧＨｚである波形Ｅ１を有する伝送ビームが遠隔表面６に指向される。周波数Ｆ１を保持する反射ビームＥ２を、周波数Ｆ２において変調用波形Ｗ３を用いて変調し、検波器７に受光される前に混光電磁放射線を創出する。この変調用ビームＷ３の周波数Ｆ２は、生じた移相φをより実際的にかつ図解する差周波数ΔＦを生じるように選んだ。基本的に、
Ｅ１＝Ｓｉｎ（２πＦ１ｔ）
ここに、Ｆ１＝１ＧＨｚ、ＤＣオフセットなし；かつ
Ｅ２＝Ｓｉｎ（２πＦ２ｔ−φ）
ここに、Ｅ２は往復２ｄによる移相Ｅ１であり；
φ＝４πＦ１ｄ／ｃ、ｃ＝３×１０８ｍｓ−１；かつ
ｄ＝（３７．５＋ｎ＊１５０）ｍｍはφ＝π／２ラジアンをもたらす。
伝送波形Ｅ１、および反射波形Ｅ２を図３に示す。
【００３５】
本発明によれば、周波数Ｆ２において変調用波形Ｗ３を反射波形Ｅ２に印加する。高正確度で適用される実際の適用においては、変調周波数Ｆ２は、Ｆ２＝０．９９９９９９ＧＨｚで、ΔＦが１ｋＨｚだけＦ１から移動しているような、伝送周波数Ｆ１とほとんど同じであるように選択する。しかしながら、得られた相対周波数（Ｆ１−Ｆ２）／Ｆ１＝１０−６はグラフ表示が困難である。
【００３６】
従って、図４を参照すると、そして（例示目的で）本発明の方法の結果の重要な局面を視覚化するために、代わりに、Ｆ１＝１ＧＨｚおよびＦ２＝０．９５ＧＨｚの場合を考察する。
Ｗ２＝Ｓｉｎ（２πＦ２ｔ）
Ｆ２＝０．９５ＧＨｚ、ＤＣオフセットなし、
Ｆ２はＦ１から０．０５ＧＨｚ移動している。
【００３７】
反射信号Ｅ２を変調用第３の波形Ｅ２で増倍すると、Ｗ３が出力信号Ｅ４中に下記のように生じる。
【数５】
Ｗ４は光学検波器により検知できる周波数であり；
Ｗ６は従来の検波器の周波数限界を超えている。
【００３８】
従って、Ｆ１＝１ＧＨｚおよびＦ２＝０．９５ＧＨｚで、かつ距離に関連した移相φに対してπ／２の値では、Ｅ２＝Ｓｉｎ（２π＊１０９ｔ−π／２）およびＥ３＝Ｓｉｎ（２π＊０．９５＊１０９ｔ）を得る。
【００３９】
図５〜図７を参照すると、波形Ｅ３、Ｗ４およびＷ６が生じる。伝送波形Ｅ１、受光波形Ｅ２は正確な高周波数Ｆになっている。変調波形も高周波数であるがわずかに異なる周波数、ここに示すようにわずかに低い周波数になっている。波形Ｅ２とＷ２を組み合わせた結果、波形Ｗ４が生じるが、この波形Ｗ４は同じ移相φを示す２つの波形の差である。
【００４０】
波形Ｗ４はπ／２移相を保存する余弦波であり、有利なことに測定可能かつ低周波数差Ｆ１−Ｆ２である。一方、Ｗ６は高周波の合計Ｆ１＋Ｆ２である。往復距離ｄの測定を可能にするのは、周波数Ｆ１の測定ビームに課された移相φである。
【実施例２】
【００４１】
図９を参照すると、簡単なインライン実験装置を使用して本発明の測定原理を実証した。
【００４２】
粗い物体または表面６から反射されて戻ったものをエミュレートしている低出力の１ＧＨｚレーザービームを５００Ｈｚの周波数で変調した。ファイバ受光器３１からのファイバ発光器３０の距離ｄを直線移動ステージを用いて精確に変化させた。本発明を実施して距離ｄを決定する際に、検波器８で１ｍｍ当たり１．２°の移動の精度で移相φを測定した。検波器８はこの精度を達成するのに５００Ｈｚを超える周波数に反応することを必要としなかった。この精度が達成された理由はこの移相がいまや測定可能になったが、その一方で３００ｍｍ（０．３ｍ）の波長を有する１ＧＨｚ出力ビームを依然として使用しているからである。１．２°の移動解像度は１．２／３６０＊３００ｍｍ＝１ｍｍである。これに対して、実際的ではないものの、５００Ｈｚ測定ビームから移相φを直接測定することが可能な光学検波器８は６×１０５ｍの関連波長を有し、１．２°の正確度は２０００ｍもの大きさの移動を表すことになろう。
【００４３】
本実験では、１ｍＷの、ピグテールファイバを有する１５５０ｎｍレーザーダイオード２９（ＰＤ−ＬＤ社、部品番号ＰＬ１５Ｎ００１ＴＦＣＡ−０−０−０１）３２を作動してビーム３３を発光するが、これは表面から受光したビームをエミュレートしている。このビーム３３をレンズ３４（エドモンド・インダストリアル・オプチクス社、部品番号Ｌ４５−８０６）によりファイバ発光器３０において平行化して直径１〜２ｃｍの平行ビーム３５を形成した。このビーム３５をファイバ受光器３１において偏光器３６（ラムダ・リサーチ・オプチクス社、部品番号１５５０−ＰＢ−０５Ｂ−１５００）および狭帯域光フィルタ３７（ラムダ・リサーチ・オプチクス社、部品番号１５５０−Ｆ３０−２５．４）を通した。ビーム３５はピグテールファイバを有する１５５０ｎｍテレコム変調器３８の９μｍコア入射面に直接落とした。偏光器３６は直線偏光放射線だけが偏光器ピグテール３８に入射することを保証した。これは変調効率を高くするために必要な条件である。狭帯域光学フィルタ３７は通過帯域スペクトルを、１５５０ｎｍを中心とする狭い領域に制限することにより、議事放射線の集積を最小限にした。ビーム３５を変調器ピグテール３８内に集束させるのにレンズを用いたため、変調器３８を通過するピーク出力は１０〜１００ｐＷの範囲内であり、５〜１０ｍの範囲の粗面において測定したときに得られる出力レベルと類似している。発光および受光装置の分離はこれら装置の一方を直線移動ステージ３９上に載せることにより正確に変化させた。検波器８は高ゲイントランスインピーダンス増幅器をと７５０Ｈｚ電子応答帯域を持つ低ノイズのＩｎＧａＡｓ ＰＩＮダイオード（ニュー・フォーカス社、部品番号２１５３）である。
【００４４】
フルーク型６０６０Ａ寝具発生器４０を用いて第１の正弦波信号Ｆ１を１ＧＨｚにおいて発生させ、かつ発光レーザーダイオード出力３５を市販の駆動装置４１（マキシム社、部品番号Ｍａｘ３２６１）により変調した。０．９９９９９９５ＧＨｚの第２の正弦波信号Ｆ２はＨＰ型８５６０スペクトル分析器（図示しない）から、内蔵の追跡信号発生機能を使用して１ＧＨｚ信号および０．９９９９９９５ＧＨｚ信号を同じマスタークロックに効果的にロックして、得た。この０．９９９９９９５ＧＨｚ信号を使用して、直列に使用した２つの市販の駆動装置４２（供給元：ＷＪコミュニケーション社、部品番号ＡＨ１０２）を有するテレコム変調器３８により、反射ビームを変調した。電子ミキサ４３が位相参照信号を発生して高周波駆動信号の不安定性により生じる変動を追跡した。高精度ロックイン増幅器４４（供給元：スタンフォード・リサーチ・システムズ社、部品番号ＳＲ８３０）が、０．０１°程度の正確度で、得られた第３の５００Ｈｚ波形信号Ｗ３、Ｗ４の位相比較を可能にした。この説明の装置は５００Ｈｚ参照信号Ｗ３と５００Ｈｚ検出新語うＷ４の間で遅い、ランダムな位相変動を示したが、これは多分レーザー、変調器または駆動装置の不安定性が補償されていないためであると考えられる。
【００４５】
ファイバ発光器３０とファイバ受光器３１との間の分離は直線移動ステージ３９を用いて変えた。本実験においては、ファイバ発光器３０とファイバ受光器３１との間の分離を変えると、位相変動は遅いにも関わらず、ほぼ１．２°／ｍｍの移動の繰り返し可能な位相φを得た。本実験および結果により１ＧＨｚ変調に対して予想されていた位相感度が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明を具現するのに必要な主要部品の配置を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明の測定正確度を最適化する光部品の配置を示す図である。
【図３】本発明の第１の概略理論例の装置を示す概略図である。
【図４】図３の第１の例に従うグラフであり、伝送ビームＥ１および反射ビームＥ２の移相検波器の応答を示す。
【図５】図３の第１の例に従うグラフであり、反射ビームＥ２および変調用第２の波形信号Ｗ２の個別の波形信号を示す。
【図６】図３の第１の例に従うグラフであり、反射ビームＥ２および変調用第２の波形信号Ｗ２の個別の波形信号の電気−光学増倍または変調Ｅ２×Ｗ２を示す。
【図７】図３の第１の例に従うグラフであり、図６の信号Ｅ３の低周波数成分Ｗ４を示す。
【図８】図３の第１の例に従うグラフであり、図６の信号Ｅ３の高周波数成分Ｓ６を示す。
【図９】１ＧＨｚ測定ビームを用いた本発明の移相感度を提供する実際の実験の第２の例の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
２ レーザーダイオード
３ ビーム整形光学素子
４ ビームスプリッター
５ 光学素子
６ 遠隔表面
７ 光変調器
８ 検波器
９ 主信号発生器
１０ レーザ駆動モジュール
１１ 位相比較器
１２ 信号処理モジュール
１３ 中央制御器
１４ レンズ
１５ レンズ
１７ 空間フィルター
１８ 偏光フィルター
１９ 偏光フィルター
２０ 四分の一波長板
２１ 狭帯域光学素子フィルター
２２ レンズ
２９ レーザ
３０ ファイバ発光器
３１ ファイバ受光器
３３ ファイバ発光器
３４ レンズ
３５ ビーム
３６ 偏光器
３７ 光フィルタ
３８ 変調器
４０ 信号発生器
４１ 駆動装置
４２ 変調器
４３ 電子ミキサ
４４ ロックイン増幅器
位相比較器
Ｅ１ 伝送ビーム
Ｅ２ 反射ビーム
Ｅ３ 電磁放射線信号
Ｗ１ 波形信号
Ｗ２ 波形信号
Ｗ３ 波形信号
Claims (13)
- 第１の周波数の第１の電磁放射線信号を該第１の周波数を持つ第１の波形信号により変調し；
該第１の電磁放射線信号を、距離を隔てて該表面に伝送して該第１の電磁放射線信号の少なくとも一部分が該距離を隔てて第２の電磁放射線信号として反射され；
該第１の周波数とはことなる第２の周波数をもつ該第２の電磁放射線信号を、該第２の周波数を持つ第２の波形信号により変調して第３の電磁放射線信号を形成し；
該第１の周波数と該第２の周波数との差に等しい第３の周波数においてかつ該第１および第２の波形信号の位相に関して知られている既知の位相を有する既知の第３の波形信号を得る光学的粗面との距離を測定する方法であって、
該第２の波形は該第１の周波数と実質的に等しい高い第２の周波数を有し、該第２の周波数は低周波数であり；
低周波数検波器において該第３の電磁放射線信号を受信して、低出力の第２の電磁放射線信号を有するにもかかわらず、該第３の周波数に移動した波長を有する検波器波形を確定し；
該第３の波形信号の既知の位相と第検波器出力波形信号の移動した位相とを比較して該第１および第２の電磁放射線信号の間の移相を確定し；かつ
該第３の移相を用いて該光学的粗面との距離を計算する
ことを特徴とする方法。 - 前記第１及び第２の周波数は役５００Ｈｚと役１００ｋＨｚの愛段お範囲の第３の周波数が生ずるように選択される、請求項１記載の方法。
- 前記第１の電磁放射線信号を前記表面に集束光学素子により指向させ；
前記第２の電磁放射線信号を該集束光学素子により受光し；かつ
前記第２の電磁放射線信号を光学変調器により前記第２の波形信号で変調して前記第３の電磁放射線信号を形成する
ことをさらに含む請求項１または２に記載の方法。 - 前記第１の電磁放射線信号を拡大し；
前記第１の電磁放射線信号を平行化し；
該拡大された第１の電磁放射線信号を集束光学素子により前記表面に指向し；かつ
前記集束光学素子を実質的に満たす拡大された第２の電磁放射線信号を受光する
ことをさらに含む請求項３に記載の方法。 - 前記工程を１つ以上の追加の異なる第１の波形信号において繰り返して該１つ以上の異なる第１の波形信号における各移相から計算された距離同士の不確定性を解消する
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。 - 前記第１及び第２の波形周波数は約５０ＭＨｚと約２ＧＨｚの間の範囲から選択される
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。 - 複数の第２の電磁放射線信号は遠隔表面の一領域から反射され、かつ
前記電磁放射線信号のそれぞれが前記第２の波形信号により変調されて複数の対応する第３の電磁放射線信号を形成し；
前記複数の第３の電磁放射線信号を検波器の空間アレイにおいて受信して、それぞれ第３の周波数に移動した位相を有する複数の検波器出力波形信号を該領域について確定し；かつ
前記第３の波形信号の既知の位相と各移動した位相とを比較して、前記第１および第２の電磁放射線信号の間の複数の移相を確定する
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。 - 前記第１の電磁放射線信号を前記遠隔表面にわたって走査して、前記遠隔表面の一領域から複数の逐次的な第２の電磁放射線信号を反射させ、かつ各逐次的第２の電磁放射線信号について前記変調工程を繰り返して複数の逐次的な第３の電磁放射線信号を形成し；
前記逐次的な第３の電磁放射線信号を前記検波器において逐次的に受光して、前記領域について複数の逐次的な検波器出力波形信号であって、それぞれ前記第３の周波数に移動したものを確定し；かつ
前記第３の波形信号の既知の位相と、前記検波器出力波形信号の各移動した位相とを比較して、前記第１および第２の電磁放射線信号の間の複数の位相を確定する
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。 - 前記逐次的な第２の電磁放射線信号は前記遠隔表面の前記領域に対して往復し、さらに前記逐次的な第２の電磁放射線信号のそれぞれについての移相からそれぞれの移動距離を計算する工程を備える請求項８に記載の方法。
- 光学的粗面との距離を決定する装置であって、
第１の周波数の第１の波形信号、第２の周波数の第２の波形信号および第３の周波数の第３の波形信号であって、該第３の周波数は該第１および第２の周波数の差に等しく、該第３の波形信号の位相が該第１および第２の波形信号の差に等しい信号を発生する発生手段と；
該第１の電磁放射線信号を、距離を隔てて該光学的粗面に伝送し、該表面から該距離を隔てて反射された該第１の電磁放射線信号の少なくとも一部を第２の電磁放射線信号として受信する光学系とを備え、
該第１の周波数において該第１の波形信号で変調された第１の電磁放射線信号を発生する手段と；
該第２の電磁放射線信号を、該第１の周波数に等しい該第２の周波数において該第２の波形信号で変調して該第３の周波数が低周波数電磁放射線信号検波器により受信されるのに適した低周波数であるようにする光学変調器と；
該第３の電磁放射線信号を受信し、該第３の周波数において移動した位相を有するにもかかわらず低出力の第２の電磁放射線信号を有する検波器出力波形信号を確定する低周波数電磁放射線信号検波器と；該第３の波形信号の既知の位相と該検波器出力波形信号の移動した位相とを比較して該第１および第２の電磁放射線信号の間の移相を確定する比較器と；
このようにして測定された移相を用いて、該遠隔表面との距離を計算する電子制御器と
を備えることを特徴とする装置。 - 前記低周波数電磁放射線検波器は約５００Ｈｚと約１００ｋＨｚとの間の範囲の前記第３の周波数を検出することが可能である
請求項１０記載の装置。 - 前記遠隔表面の一領域に対応する複数の検波器出力波形信号を確定するための電磁放射線検波器のアレイをさらに備え、各検波器出力波形信号は前記第３の周波数において移動した位相を有し、比較器が前記第１および第２の電磁放射線信号の間の複数の移相と、それぞれの移動距離を確定することが可能である請求項１０または１１に記載の装置。
- 前記第１の電磁放射線信号を指向して前記遠隔表面を横切る経路に沿って、前記遠隔表面からの逐次的な第２の電磁放射線信号の反射について走査し、該変調工程をそれぞれの逐次的な第２の電磁放射線信号について繰り返して、電磁放射線検波器出力において受信される複数の逐次的な第３の電磁放射線信号を形成して、それぞれ前記第３の周波数において移動した位相を有する複数の逐次的な検波器出力波形信号を前記遠隔表面について確定し；かつ前記第３の波形信号の既知の位相と前記検波器出力波形信号の各移動した位相とを比較して前記第１および第２の電磁放射線信号の間の複数の移相を確定する請求項１０または１１に記載の装置。
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