JP2007205949A

JP2007205949A - 距離検出装置

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Publication number: JP2007205949A
Application number: JP2006026422A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kurokawa; 隆志黒川; Yosuke Tanaka; 洋介田中; Tatsutoshi Shioda; 達俊塩田
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】光検出器において２光子吸収させ、当該光検出器が出力する電気的な検出信号の周波数スペクトルから前記反射点までの距離を高精度で測定することができるが低コストで製造可能な距離検出装置に関する。
【解決手段】第１レーザ光源および第２レーザ光源と、２つのレーザ光を同一の変調周波数で変調する変調器と、第１レーザ光源から出射された光の反射光と、第２レーザ光源からのレーザ光とが結合されてなるレーザ光を増幅する第２光増幅器と、第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光検出器と、光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、第１レーザ光源の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する周波数検出器とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１レーザ光源から出射した光の１つまたは複数の反射点からの反射光と、第２レーザ光源からのレーザ光との結合光を、光検出器において２光子吸収させ、当該光検出器が出力する電気的な検出信号の周波数スペクトルから前記反射点までの距離を高精度で測定することができるが低コストで製造可能な距離検出装置に関する。

従来、レーザ光を用いて空間的距離を測定する距離検出装置や、２光子吸収を応用した形状測定装置が知られている。たとえば、距離検出装置７は、図４に示すようにレーザ光源７１からのレーザ光を光変調器７２により変調し、これを変調光Ｂ０１として出射し、ハーフミラー７３を介して被測対象Ｏに照射し、その反射光Ｂ１１を光検出器７４により検出し、電気信号として出力する。

そして、ミキサ７５により、光変調器７２を駆動する発振器７６からの信号と局部発振器７７からの信号とを合成するとともに、ミキサ７８により局部発振器７７からの信号と光検出器７４からの信号とを合成する。ミキサ７５とミキサ７８との出力信号の位相を位相比較器７９により比較して、両信号の位相差から被測対象Ｏまでの距離を測定する。
ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．１７Ｎｏ．１２ｐｐ２６８２−２６８９，２００５

しかし、図４の距離検出装置７では、位相を検出しているため、２πの整数倍の不確定さが生じる。このため、被測対象Ｏまでの、おおよその距離がわかっていないと測定ができない。また、距離検出装置７では、位相を検出するため電気回路が複雑化し高価となる。
この不都合を解消するために、本発明者らは、図５に示す距離検出装置９を提案している（非特許文献１）

この距離検出装置９は、レーザ光の光路を光ファイバーにより構成したもので、第１レーザ光源９０１および第２レーザ光源９０２からのレーザ光Ｂ０１，Ｂ０２をカプラ９２により結合し、結合光を光変調器９３により変調する。この変調光Ｂ１を、カプラ９３からＢ０１の変調光のみを透過するバンドパスフィルタ９４１を介して参照ミラー９４に照射するとともに、Ｂ０１の変調光のみを透過するバンドパスフィルタ９５１を介して光ファイバー９５の終端に向けて照射する。

参照ミラー９４からの反射光Ｂ１１および光ファイバー９５の終端からの反射光Ｂ１２は、光サーキュレータ９６により光増幅器９７を送られる。光増幅器９７からの増幅光は、バンドパスフィルタＢＰＦを介してＳｉ−ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）９８に入射される。Ｓｉ−ＡＰＤ９８に入射した光は２光子吸収され電気信号に変換される。
コンピュータ９９は、Ｓｉ−ＡＰＤ９８からの電気信号に含まれる正弦波信号の周波数スペクトルを検出する。この周波数スペクトルは、参照ミラー９４と光ファイバー９５の終端との距離に応じてピークを呈するので、光ファイバー９５の終端までの距離を容易に観測することができる。なお、図５では光変調器９３はコンピュータ９９により制御される発振器ＯＣにより駆動される。

しかし、距離検出装置９は、発振器ＯＣをコンピュータ９９により制御しているために測定に時間がかかり、さらにＳｉ−ＡＰＤ９８からの出力をフーリエ変換して周波数を演算するためにさらに時間がかる。また、ミラー，バンドパスフィルタ等の部品の点数が多いため光学系の損失が大きい。

本発明は、第１レーザ光源から出射した光の１つまたは複数の反射点からの反射光と、第２レーザ光源からのレーザ光との結合光を、光検出器において２光子吸収させ、レーザ光源から反射点までの距離を高精度で測定することができ、かつ光学系の損失が少ない距離検出装置を提供することにある。

（１）異なる光周波数のレーザ光を発生する第１レーザ光源および第２レーザ光源と、
前記２つのレーザ光を同一の変調周波数で変調する変調器と、
前記第１レーザ光源から出射されたレーザ光が光路を反射して戻ってきたときの当該レーザ光を増幅する第１光増幅器と、
前記第１光増幅器からのレーザ光と、前記第２レーザ光源からのレーザ光とを結合する光カプラと、
前記光カプラからのレーザ光を増幅する第２光増幅器と、
前記第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光検出器と、
前記光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、前記第１レーザ光源の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する周波数検出器と、
少なくとも前記変調器を制御するコンピュータと、
を備えたことを特徴とする距離検出装置。

（２）位置変位検出装置としても使用できる距離検出装置であって、
異なる光周波数のレーザ光を発生する第１レーザ光源および第２レーザ光源と、
前記２つのレーザ光を同一の変調周波数で変調する変調器と、
前記第１レーザ光源からのレーザ光を空間経路に出射する第１光ファイバーファイバコリメータと、
前記第１光ファイバーファイバコリメータから出射されたレーザ光の空間光路の終端に設けられたコーナキューブと、
前記コーナキューブから反射されるレーザ光をファイバー光路に取り込む第２ファイバーコリメータと、
前記第２ファイバーコリメータからのレーザ光を増幅する第１光増幅器と、
前記第２レーザ光源からのレーザ光および前記第１光増幅器からのレーザ光を結合する光カプラと、
前記光カプラからのレーザ光を増幅する第２光増幅器と、
前記第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光検出器と、
前記光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、前記第１レーザ光源の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する周波数検出器と、
少なくとも前記変調器を制御するコンピュータと、
を備えたことを特徴とする距離検出装置。

（３）光ファイバーの少なくとも１つの破断点を検出する、光ファイバー破断点検出装置としても使用できる距離検出装置であって、
異なる光周波数のレーザ光を発生する第１レーザ光源および第２レーザ光源と、
前記２つのレーザ光を同一の変調周波数で変調する変調器と、
前記第１レーザ光源からのレーザ光を始端より入射する前記光ファイバーと、
前記光ファイバーの始端に設けられ、前記第１レーザ光源から前記光ファイバーの終端側に向けて伝播するレーザ光と、前記光ファイバーの終端側から始端側に向けて伝播するレーザ光とを分離する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータからのレーザ光を増幅する第１光増幅器と、
前記第２レーザ光源からのレーザ光および前記第１光増幅器からのレーザ光を結合する光カプラと、
前記光カプラからのレーザ光を増幅する第２光増幅器と、
前記第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光検出器と、
前記光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、前記第１レーザ光源から前記破断点までの距離に対応する周波数成分を検出する周波数検出器と、
を備えたことを特徴とする距離検出装置。

（４）前記第１レーザ光源および前記第２レーザ光源は半導体レーザからなり、前記変調器は電圧制御発振器により前記半導体レーザを直接変調し、かつ変調周波数を掃引する構成を備えたことを特徴とする（１）から（３）の何れかに記載の距離検出装置。

（５）前記光検出器は温度制御（定温制御）されることを特徴とする（１）から（４）の何れかに記載の距離検出装置。

本発明では、第１レーザ光源から出射した光の１つまたは複数の反射点からの反射光と、第２レーザ光源からのレーザ光との結合光を、光検出器において２光子吸収させるようにしたので、当該光検出器が出力する検出信号の周波数スペクトルから第１レーザ光源から前記反射点までの距離を高精度で測定することができる。

また、レーザ光源をＶＣＯにより直接変調することで、高速な測定ができ、さらに光検出器からの２光子吸収出力を周波数検出器により直接検出するのでさらに高速な測定が可能となる。加えて、ミラー，バンドパスフィルタ等の部品の点数を少なくできるため光学系の損失を小さくできる。

《第１実施形態》
図１は本発明の距離検出装置の、一実施形態を示す説明図である。図１において、距離検出装置３は、第１レーザ光源３０１および第２レーザ光源３０２と、光変調器光カプラ３４と、第１光増幅器３５１と、第２光増幅器３５２と、光検出器３６と、周波数検出器３７とを備えている。

第１レーザ光源３０１と第２レーザ光源３０２は、何れも半道体レーザを用いることができる。これらは異なる光周波数のレーザ光を発生し、２つのレーザ光は、変調器（ＶＣＯ（電圧制御発振器））により同一の変調周波数で変調される。第１レーザ光源３０１と第２レーザ光源３０２は、異なる周波数のレーザ光Ｂ１０，B２０を出射する。
本実施形態では、第１レーザ光源３０１の周波数はｆ１（波長λ１：１５５０ｎｍ）であり、第１レーザ光源３０２の周波数はｆ２（波長λ２：１５５２ｎｍ）である。変調周波数は、たとえば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚまで、５０ｋＨｚステップで掃引される。

第１光増幅器３５１は、第１レーザ光源３０１の光路を反射して戻ってくる反射光Ｂ１１を増幅することができる。第１光増幅器３５１の後段には、図示はしないが反射光Ｂ１１を通過させるバンドパスフィルタを設けることができる。

光カプラ３４は、第２レーザ光源３０２からのレーザ光Ｂ２０および第２光増幅器３５１からのレーザ光Ｂ１１を結合する。
第２光増幅器３５２は、光カプラ３４からのレーザ光Ｂ３を増幅する。第２光増幅器３５２の後段には、図示はしないが増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を除去するためのバンドパスフィルタを設けることができる。
光検出器３６は、第２光増幅器３５２からのレーザ光を受光し２光子吸収（ＴＰＡ：Ｔｗｏ−ＰｈｏｔｏｎＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）する。光検出器３６は、たとえばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により構成することができ、第２光増幅器３５２からのレーザ光を受光し２光子吸収する。光検出器３６は、温度制御素子（ここではペルチェ素子１００）により一定温度に制御されている。これにより、ＳＮ比を大きくすることができる。

周波数検出器３７は、たとえば専用プロセッサにより構成でき、光検出器３６の出力信号（電気信号）に含まれる正弦波を抽出して、第１レーザ光源３０１の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する。
図１では、周波数検出器３７は、コンピュータ２に接続され、コンピュータ２は、第１レーザ光源３０１および第２レーザ光源３０２に接続されたＶＣＯを制御している。

《第２実施形態》
図２は本発明の距離測定装置の第２実施形態を示す説明図である。図２において、距離検出装置４は、距離または距離の変動を測定するものであり、第１レーザ光源４０１および第２レーザ光源４０２と、ファイバコリメータ４１１，４１２と、コーナキューブ４２と、光第１光増幅器４５１と、光カプラ４４と、第２光増幅器４５２と、光検出器４６と、周波数検出器４７とからなる。

第１レーザ光源４０１と第２レーザ光源４０２は、何れも半道体レーザを用いることができる。これらは異なる光周波数のレーザ光を発生し、２つのレーザ光は、変調器（ＶＣＯ（電圧制御発振器））により同一の変調周波数で変調される。第１レーザ光源４０１と第２レーザ光源４０２は、異なる周波数のレーザ光Ｂ１０，B２０を出射する。本実施形態では、第１レーザ光源４０１の周波数はｆ１（波長λ１：１５５０ｎｍ）であり、第１レーザ光源４０２の周波数はｆ２（波長λ２：１５５２ｎｍ）である。変調周波数は、たとえば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚまで、５０ｋＨｚステップで掃引される。

コーナキューブ４２は、第１レーザ光源４０１からのレーザ光Ｂ１０を反射する。
ファイバコリメータ４１１は光ファイバを伝播する第１レーザ光源４０１からの光をコーナキューブ４２に向けて光ビームとして空間に放出し、ファイバコリメータ４１２はコーナキューブ４２から反射してくるレーザ光Ｂ１１を光ファイバに取り込む。レーザ光Ｂ１１は第１光増幅器４５１により増幅される。なお図示はしないが、第１光増幅器４５１の後段にはバンドパスフィルタを設けることができる。

光カプラ４４は、第２レーザ光源４１２からのレーザ光Ｂ２０およびファイバコリメータ４１２からのレーザ光Ｂ１１を結合する。
光増幅器４５は、光カプラ４４からのレーザ光Ｂ３を増幅する。光増幅器４５の後段には、図示はしないが、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を除去するためのバンドパスフィルタが設けられている。

光検出器４６は、たとえばアバランシェフォトダイオード（APD）により構成することができ、光増幅器４５からのレーザ光を受光し２光子吸収する。
光検出器４６は、温度制御素子（ここではペルチェ素子１００）により一定温度に制御されている。これにより、ＳＮ比を大きくすることができる。
周波数検出器４７は、光検出器４６の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、レーザ光Ｂ１１に含まれる第１レーザ光源４１１からコーナキューブ４２までの距離に対応する周波数成分を検出する。

図３では、周波数検出器３７は、コンピュータ２に接続され、コンピュータ２は、第１レーザ光源３０１および第２レーザ光源３０２に接続された電圧制御発振器ＶＣＯを制御している。

《第３実施形態》
図３は本発明の距離検出装置の第３実施形態を示す説明図である。図３において、距離検出装置５は、光ファイバーの破断点までの距離を検出するもので、第１レーザ光源５０１および第２レーザ光源５０２と、光ファイバー５１と、光分離器（光サーキュレータ）５３と、光カプラ５４と、第１光増幅器５５１、第２光増幅器５５２と、光検出器５６と、周波数検出器５７とからなる。

第１レーザ光源５０１と第２レーザ光源５０２は、何れも半道体レーザを用いることができる。これらは異なる光周波数のレーザ光を発生し、２つのレーザ光は、変調器（ＶＣＯ（電圧制御発振器））により同一の変調周波数で変調される。第１レーザ光源５０１と第２レーザ光源５０２は、異なる周波数のレーザ光Ｂ１０，B２０を出射する。本実施形態では、第１レーザ光源５０１の周波数はｆ１（波長λ１：１５５０ｎｍ）であり、第１レーザ光源５０２の周波数はｆ２（波長λ２：１５５２ｎｍ）である。変調周波数は、たとえば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚまで、５０ｋＨｚステップで掃引される。

光ファイバー５１は、第１レーザ光源５０１からのレーザ光Ｂ１０を始端より入射する。
光分離器５３は、光ファイバー５１の始端に設けられ、光ファイバー５１の終端において反射した当該終端側から始端側に向けて伝播する反射レーザ光Ｂ１２１および光ファイバー５１が破断しているときに当該破断点からの反射レーザ光Ｂ１２１からなる反射レーザ光Ｂ１１を分離する。光分離器５３により分離された光は第１光増幅器５５１により増幅される。なお図示はしないが、第１光増幅器５５１の後段にはバンドパスフィルタを設けることができる。

光カプラ５４は、第２レーザ光源５０２からのレーザ光Ｂ２０および光分離器５３からのレーザ光Ｂ１１を結合する。
第２光増幅器５５２は、光カプラ５４からのレーザ光Ｂ３を増幅する。
光検出器５６は、第２光増幅器５５２からのレーザ光を受光し２光子吸収する。光検出器５６は、温度制御素子（ここではペルチェ素子１００）により一定温度に制御されている。これにより、ＳＮ比を大きくすることができる。

周波数検出器５７は、光検出器５６の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、レーザ光Ｂ１１に含まれる第１レーザ光源５０１から光ファイバー５１の終端までの距離に対応する周波数成分と、第１レーザ光源５０１から破断点までの距離に対応する周波数成分を検出する。
図３では、周波数検出器３７は、コンピュータ２に接続され、コンピュータ２は、第１レーザ光源３０１および第２レーザ光源３０２に接続された電圧制御発振器を制御している。

本発明の第１実施形態を示す機能ブロック図である。本発明の第２実施形態を示す機能ブロック図である。本発明の第２実施形態を示す機能ブロック図である。従来の距離検出装置の一例を示す図である。従来の距離検出装置の他の例を示す図である。

符号の説明

４，５，６距離検出装置
３４，４４，５４光カプラ
３６，４６，５６光検出器
３７，４７，５７周波数検出器
４２コーナキューブ
１００ペルチェ素子（温度制御素子）
３０１，４０１，５０１第１レーザ光源
３０２，４０２，５０２第２レーザ光源
３５１，４５１，５５１第１光増幅器
３５２，４５２，５５２第２光増幅器
４１１，４１２ファイバコリメータ

Claims

異なる光周波数のレーザ光を発生する第１レーザ光源および第２レーザ光源と、
前記２つのレーザ光を同一の変調周波数で変調する変調器と、
前記第１レーザ光源から出射されたレーザ光が光路を反射して戻ってきたときの当該レーザ光を増幅する第１光増幅器と、
前記第１光増幅器からのレーザ光と、前記第２レーザ光源からのレーザ光とを結合する光カプラと、
前記光カプラからのレーザ光を増幅する第２光増幅器と、
前記第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光検出器と、
前記光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、前記第１レーザ光源の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する周波数検出器と、
少なくとも前記変調器を制御するコンピュータと、
を備えたことを特徴とする距離検出装置。
異なる光周波数のレーザ光を発生する第１レーザ光源および第２レーザ光源と、
前記２つのレーザ光を同一の変調周波数で変調する変調器と、
前記第１レーザ光源からのレーザ光を空間経路に出射する第１光ファイバーファイバコリメータと、
前記第１光ファイバーファイバコリメータから出射されたレーザ光の空間光路の終端に設けられたコーナキューブと、
前記コーナキューブから反射されるレーザ光をファイバー光路に取り込む第２ファイバーコリメータと、
前記第２ファイバーコリメータからのレーザ光を増幅する第１光増幅器と、
前記第２レーザ光源からのレーザ光および前記第１光増幅器からのレーザ光を結合する光カプラと、
前記光カプラからのレーザ光を増幅する第２光増幅器と、
前記第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光検出器と、
前記光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、前記第１レーザ光源の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する周波数検出器と、
少なくとも前記変調器を制御するコンピュータと、
を備えたことを特徴とする距離検出装置。
光ファイバーの少なくとも１つの破断点を検出する距離検出装置（光ファイバー破断点検出装置）であって、
異なる光周波数のレーザ光を発生する第１レーザ光源および第２レーザ光源と、
前記２つのレーザ光を同一の変調周波数で変調する変調器と、
前記第１レーザ光源からのレーザ光を始端より入射する前記光ファイバーと、
前記光ファイバーの始端に設けられ、前記第１レーザ光源から前記光ファイバーの終端側に向けて伝播するレーザ光と、前記光ファイバーの終端側から始端側に向けて伝播するレーザ光とを分離する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータからのレーザ光を増幅する第１光増幅器と、
前記第２レーザ光源からのレーザ光および前記第１光増幅器からのレーザ光を結合する光カプラと、
前記光カプラからのレーザ光を増幅する第２光増幅器と、
前記第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光検出器と、
前記光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、前記第１レーザ光源から前記破断点までの距離に対応する周波数成分を検出する周波数検出器と、
を備えたことを特徴とする距離検出装置。
前記第１レーザ光源および前記第２レーザ光源は半導体レーザからなり、前記変調器は電圧制御発振器により前記半導体レーザを直接変調し、かつ変調周波数を掃引する構成を備えたことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の距離検出装置。
前記光検出器は温度制御されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の距離検出装置。