JP2010203877A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ装置の共振器長を固定化する手段や、周波数を安定化する手段を設けずに、周波数が変化する２以上の周期信号の位相差から距離を測定する。
【解決手段】距離測定装置は、レーザ光束として光周波数コムを発生するレーザ装置１と、レーザ光束を基準光と測距光に分割する分割手段２と、基準光を受光する基準受光部３と、測距光を受光する測定受光部６とを備える。測定受光部６の受光信号は、第１フィルタ１４で測距用の周波数成分が抜き出され、基準受光部３の受光信号は、第２フィルタ１１で基準用の周波数成分が抜き出される。サンプリング部１８は、第１フィルタ１４および第２フィルタ１１からの処理信号を非同期のサンプリング周波数でサンプリングする。位相差測定部２３は、そのサンプル結果から処理信号の実際の周波数を演算し、２つの処理信号の位相差を測定する。距離測定部１７は、位相差から距離を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光周波数コムを用いて、２以上の周期信号の位相差から距離を測定する距離測定装置に係り、特に周波数が変化する周期信号を非同期にサンプリングして、その周波数を検出する距離測定装置に関する。

フェムト秒モード同期パルスレーザ装置を用いた距離測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。モード同期パルスレーザの周波数スペクトルは、光パルスの繰り返し周波数で一定間隔に並び、かつ、モード間の位相が揃った多数の離散スペクトル（縦モード）で構成されている。正確な間隔の縦モードが櫛の歯のように多数立つため、この光パルスは、光周波数コム（ｃｏｍｂ）と呼ばれている。光周波数コムを用いた距離測定装置は、レーザを対象物に照射し、その反射光を受光素子で受光して、広いスペクトル幅の周波数成分から距離測定の分解能が高い周波数成分を選択し、これを物差しとして利用する。

特許文献１に記載の距離測定装置は、レーザ装置からのレーザ光線を基準光と測距光に分割する分割手段と、基準光を受光して多数のビート信号を出力する第２受光素子と、測距光を受光して多数のビート信号を出力する第１受光素子とを有する。第１受光素子からの受光信号は、第１フィルタで測距用の周波数成分が抜き出される。第２受光素子からの受光信号は、第３フィルタで第１フィルタと僅かに周波数差のある周波数成分が抜き出される。第１フィルタからの周波数成分は、第３フィルタからの周波数成分とミキサで乗算され、低い周波数成分にセルフビートダウンされる。低い周波数成分は、測距信号として位相差測定回路に入力される。

また、第２受光素子からの受光信号は、第２フィルタで比較用の周波数成分が抜き出される。比較用の周波数成分は、基準信号として位相差測定回路に入力される。位相差測定回路は、両ビート信号間の位相差を演算し、位相差を演算部に出力する。演算部は、この位相差に基づき距離を測定する。

しかしながら、フェムト秒モード同期パルスレーザ装置は、一般的に光ファイバーで共振器が構成されているため、共振器長は数ｍ〜数百ｍと長く、僅かな温度変化や機械的振動によって共振器長が微少に変化してしまう。これに伴い、共振器長で決まる光パルスの繰り返し周波数が変化し、上述した位相差測定回路が入力する測距信号および基準信号の周波数も変化するため、両ビート信号間の位相差を精度良く測定することができない。このような課題を解決する手段として、共振器長を固定化する技術（例えば、特許文献２）や、周波数を安定化する負帰還機構を設ける技術（例えば、特許文献３）が開示されている。

特許文献２に記載の発明では、共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に相当する正弦波のクロック信号をレーザ出力から抽出し、このクロック信号と周波数一定の標準信号との周波数差を検出し、誤差が予め定めた一定値になるように共振器長を自動的に調整する。

特許文献３に記載の発明では、共振器全体の温度変化によって縦モードの周波数が他の周波数に変化してしまうモードホップという現象を抑制する機構と、縦モード一本の絶対周波数と繰り返し周波数とを独立して安定化する周波数安定化負帰還機構とを設けている。それらを同時に動作させることで、全ての縦モードの絶対周波数を安定化する。

特開２００６−１８４１８１号公報 特許３３５０８７４号公報 特開２００８−２５１７２３号公報

光周波数コム―新しい光のものさし―（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｉｓｔ＿ｊ／ｍｕｓｅｕｍ／ｋｅｉｓｏｋｕ／ｋｏｍｕ／ｋｏｍｕ．ｈｔｍｌ）

このような背景を鑑み、本発明は、レーザ装置の共振器長を固定化する手段や、周波数を安定化する手段を設けずに、周波数が変化する２以上の周期信号の位相差から距離を測定可能な距離測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、レーザ光束として光周波数コムを発生するレーザ装置と、前記レーザ光束を基準光と測距光に分割する分割手段と、前記基準光を受光して複数のビート信号を出力する基準受光部と、前記測距光を受光して複数のビート信号を出力する測定受光部と、前記測定受光部から少なくとも一つのビート信号を取り出す第１フィルタと、前記基準受光部から少なくとも一つのビート信号を取り出す第２フィルタと、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタを介して入力するビート信号の周波数と非同期のサンプリング周波数で前記ビート信号をサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部が出力するサンプル結果に基づいて、前記ビート信号の実際の周波数を演算すると共に、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタを介して入力する２つのビート信号の位相差を測定する位相差測定部と、前記位相差測定部の測定する位相差に基づいて距離を測定する距離測定部と、を備えることを特徴とする距離測定装置である。

請求項１に記載の発明によれば、レーザ装置の共振器長を固定化する手段や、周波数を安定化する手段を設けずに、周波数が変化する２つのビート信号の位相差から距離を測定することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記サンプリング周波数（ｆｓ）は、前記レーザ装置で予め定めた共振器長によって決まる光パルスの繰り返し周波数（ｆｒ）よりも低いことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、低いサンプリング周波数でサンプリングできるため、簡易かつ安価な構成にすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記サンプリング周波数（ｆｓ）は、前記第１フィルタまたは前記第２フィルタを介して入力するビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ＝ｆｒ±Δｆ）よりも低いことを特徴とする

請求項３に記載の発明によれば、低いサンプリング周波数でサンプリングできるため、簡易かつ安価な構成にすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記サンプリング周波数（ｆｓ）は、前記ビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ）と、サンプル周期に含まれるｆｉｎの周期の整数（ｎ）と、１／ｆｉｎの１周期内のサンプル数（ａ）との関係式ｆｉｎ＝ｆｓ×（ｎ±ａ）に基づいて設定されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、サンプリング周波数（ｆｓ）をビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ）と非同期の関係にしておくことで、サンプル結果からビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ＝ｆｒ±Δｆ）を検出することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記サンプル周期に含まれるｆｉｎの周期の整数（ｎ）と、前記１／ｆｉｎの１周期内のサンプル数（ａ）は、変更可能であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、ｎをより大きく設定することで、より低いサンプリング周波数（ｆｓ）で安定したサンプリングを行うことができる。また、ａをより小さく設定することで、ビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ）の１周期内のサンプル数が多くなり、ｆｉｎを精密に検出することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ）は、前記サンプル結果で構成される波形の１周期内のサンプル数（１／ａ）に基づいて演算されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、ｆｉｎの変化に対してｎが一定である場合、サンプル結果で構成される波形の１周期内のサンプル数（１／ａ）を数えるだけで、ビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ）を検出することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１フィルタまたは前記第２フィルタを介して入力するビート信号を二値化する二値化回路をさらに備え、前記位相差測定部は、前記二値化回路からの二値化結果に基づき、サンプリング周波数を変更することを特徴とする。

請求項７に記載の発明によれば、ビート信号の二値化結果に基づいて、ビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ）とサンプリング周波数（ｆｓ）を一定の関係（ｎを一定）にすることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記基準受光部からビート信号を入力して、前記第１フィルタが取り出すビート信号の周波数成分と異なる周波数成分のビート信号を取り出す第３フィルタと、前記第１フィルタと前記第３フィルタが取り出す２つのビート信号の和と差の周波数成分を生成するミキサと、前記ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第４フィルタとをさらに備え、前記位相差測定部は、前記第３フィルタおよび前記第２フィルタからの２つのビート信号の位相差を測定することを特徴とする。

請求項８に記載の発明によれば、基準受光部のビート信号を用いて、測距受光部のビート信号から取り出した周波数成分を低くすることができる（セルフビートダウン法）。

請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタが取り出すビート信号の周波数成分と異なる周波数の周期信号を発振する発振器と、前記第１フィルタが取り出すビート信号と前記発振器が発振する周期信号の和と差の周波数成分を生成する第１ミキサと、前記第２フィルタが取り出すビート信号と前記発振器が発振する周期信号の和と差の周波数成分を生成する第２ミキサと、前記第１ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第３フィルタと、前記第２ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第４フィルタとをさらに備え、前記位相差測定部は、前記第３フィルタおよび前記第４フィルタからの２つのビート信号の位相差を測定することを特徴とする。

請求項９に記載の発明によれば、発振器の周期信号を用いて、測距受光部のビート信号から取り出した高周波数成分を低くすることができる（ローカルオシレータ法）。高周波成分を用いることで、距離の測定分解能を向上することができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記発振器の替わりに、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタが取り出すビート信号の周波数成分と異なる周波数成分のビート信号を前記基準受光部から取り出す第５フィルタをさらに備えることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明によれば、基準受光部のビート信号を用いて、測距受光部および基準受光部のビート信号から取り出した周波数成分を低くすることができる（セルフビートダウン法）。

請求項１１に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記基準受光部からビート信号を入力して、少なくとも一つのビート信号を取り出す第３フィルタと、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタが取り出すビート信号の周波数成分と異なる周波数の周期信号を発振する発振器と、前記第１フィルタで取り出されたビート信号と前記発振器が発振する周期信号の和と差の周波数成分を生成する第１ミキサと、前記第３フィルタで取り出されたビート信号と前記発振器が発振する周期信号の和と差の周波数成分を生成する第２ミキサと、前記第１ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第４フィルタと、前記第２ミキサから前記第４フィルタで取り出されたビート信号の周波数成分と異なる周波数成分のビート信号を取り出す第５フィルタと、前記第４フィルタで取り出されたビート信号と前記第５フィルタで取り出されたビート信号の和と差の周波数成分を生成する第３ミキサと、前記第３ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第６フィルタとをさらに備え、前記位相差測定部は、前記第６フィルタおよび前記第２フィルタからの２つのビート信号の位相差を測定することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明によれば、発振器の周波数の時間的なゆらぎが、測距受光部のビート信号から取り出した周波数成分に乗らないため、距離の測定精度が向上する。

本発明によれば、レーザ装置の共振器長を固定化する手段や、周波数を安定化する手段を設けずに、周波数が変化する２以上の周期信号の位相差から距離を測定することができる。

第１の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。 位相差測定回路のブロック図である。 ｆｉｎ＜ｆｓの場合の処理信号波形を示す図（Ａ）と、サンプル波形を示す図（Ｂ）である。 ｆｉｎ＞ｆｓの場合の処理信号波形を示す図（Ａ）と、サンプル波形を示す図（Ｂ）である。 ｆｉｎ＞ｆｓであり、ｆｉｎとｆｓが所定の関係にある処理信号波形を示す図（Ａ）と、サンプル波形を示す図（Ｂ）である。 第２の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。 第３の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。 第４の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。 光周波数コムと第４の実施形態との関係を説明する説明図である。

１．第１の実施形態
以下、距離測定装置の一例について、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。距離測定装置は、フェムト秒モード同期レーザ装置１、スプリッタ２、基準受光部３、ハーフミラー４、ハーフミラー５、測定受光部６、レンズ７、コーナーキューブ８、レンズ９、チョッパー１０、第２フィルタ１１、第３フィルタ１３、第１フィルタ１４、ミキサ１５、第４フィルタ１６、位相差測定回路１２、距離測定部１７を備える。距離測定装置は、光周波数コムを用いたフェムト秒コム距離計であり、距離測定装置から測定対象物に設けられるコーナーキューブ８までの距離を測定する。

フェムト秒モード同期レーザ装置１は、フェムト秒という非常に短いパルス幅のパルスを一定間隔で出力する。１つのパルスは、広い周波数スペクトルを有している。周波数スペクトルは、光パルスの繰り返し周波数で一定間隔に並び、かつ、モード間の位相が揃った多数の離散スペクトル（縦モード）で構成されている。正確な間隔の縦モードが櫛の歯のように多数立つため、この光パルスは、光周波数コム（ｃｏｍｂ）と呼ばれている。

フェムト秒モード同期レーザ装置１は、例えば、励起光源、光ファイバ、光アイソレータ、可飽和吸収体、光カプラを備える。励起光源には、レーザダイオード等の励起用半導体レーザを使用し、光ファイバには、エルビウム等の希土類イオンをドープしたシングルモード光ファイバを使用する。共振器は、光ファイバでリング状に形成される。リング共振器内には、光アイソレータ、可飽和吸収体、および光カプラが配置される。

励起光源からの光は、光ファイバ内に入射する。光アイソレータは、共振器内に入射した光の反射を防ぐ。可飽和吸収体は、強度の弱い光を吸収し、強度の強い光で飽和する。これにより、各モード間の位相が時間的に同期すると共に、位相差が一定となる（モード同期）。各モードの光が共振器内で互いに干渉し、フェムト秒台の超短パルスが多重モード発振する。光カプラは、リング共振器から光パルスを取り出す。

なお、モード同期方法としては、共振器内に可飽和吸収体を挿入する受動モード同期（ｐａｓｓｉｖｅ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ）の他、光変調器による強制モード同期（ｆｏｒｃｅｄ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ）を用いてもよい。光変調器は、共振器内における光巡回時間の逆数の自然数倍に等しい繰り返し周波数で共振器内の光を変調する。

例えば、フェムト秒モード同期レーザ装置１の共振器長Ｌが４ｍ、光ファイバの屈折率ｎが１．５、真空中の光速度ｃが３×１０^８ｍ／ｓである場合、以下の式からリング共振器内における光巡回時間Ｔは２０ｎｓであり、光パルスの繰り返し周波数ｆｒは５０ＭＨｚとなる。

フェムト秒モード同期レーザ装置１からの光束は、スプリッタ２によって基準受光部３に向かう基準光２７と、測距用の光束（測距光２８と内部参照光２９）に分けられる。基準光２７は、基準受光部３で受光され、測距用の光束と位相を比較するための基準信号となる。

測距用の光束は、ハーフミラー４によって測距光２８と内部参照光２９に分けられる。内部参照光２９は、ハーフミラー５によって反射されて、測定受光部６に入射する。測距光２８は、レンズ７を透過して、測定対象物のコーナーキューブ８で反射する。反射した測距光２８は、レンズ９を透過して、ハーフミラー５を透過し、測定受光部６に受光され、測距信号となる。

測距光２８と内部参照光２９は、チョッパー１０によって交互に切り替えられる。チョッパー１０の切り替え前後における測距値の差を取ることで、内部参照光路ａと外部測定光路ｂの差の距離が測定される。

次に信号処理について説明する。第２フィルタ１１は、基準受光部３の受光信号から、測距用の光束と位相を比較するための所望の周波数成分を抜き出す。この周波数成分は、光パルスの繰り返し周波数（例えば５０ＭＨｚ）の整数倍の周波数となるが、ここでは、光パルスの繰り返し周波数に等しい周波数成分を抜き出す。第２フィルタ１１からの基準信号は、位相差測定回路１２に入力する。

第１フィルタ１４は、測定受光部６の受光信号から測距用の周波数成分（例えば１０ＧＨｚ）を抜き出す。第３フィルタ１３は、基準受光部３の受光信号から、第１フィルタ１４で抜き出した周波数成分と僅かに差がある周波数成分（例えば１０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を抜き出す。なお、「僅かに差がある」とは、光パルスの繰り返し周波数（５０ＭＨｚ）分だけ差があることをいうが、これに限ることはなく、第１フィルタ１４と第３フィルタ１３で抜き出す周波数成分の差は、前記第２フィルタ１１で抜き出した成分の周波数と等しくなるように設定すれば良い。

ミキサ１５は、第１フィルタ１４および第３フィルタ１３によって抜き出された２つの周波数成分を乗算し、和と差の周波数成分を生成する。第４フィルタ１６は、差の周波数成分（５０ＭＨｚ）を抜き出す。これによって、測距信号は、光パルスの繰り返し周波数（５０ＭＨｚ）にまでビートダウンされる。第４フィルタ１６からの測距信号は、位相差測定回路１２に入力する。

なお、光周波数コムは、広い周波数帯域にあるため、第１フィルタ１４および第３フィルタ１３で抜き出す周波数成分（波長）を可変にし、測定環境に応じた距離測定を行ってもよい。これによって、空気の屈折率が気温や気圧変化、浮遊物や霧等によって変化しても精度良く距離測定を行うことができる。

位相差測定回路１２は、基準信号および測距信号の処理信号周波数（ｆｉｎ）と非同期のサンプリング周波数（ｆｓ）でサンプリングを行い、ｆｉｎを検出する。検出されたｆｉｎに基づいて、サンプル波形は、最小二乗法を用いて正弦波形にフィッティングされる。そして、位相差測定回路１２は、基準信号と測距信号の正弦波形の位相差を測定する。

位相差のデータは、距離測定部１７に出力される。距離測定部１７は、その位相差から距離を測定する。位相差をΔφ、距離をＤ、周波数をｆ、光速をＣとすれば、位相差は、Δφ＝４πｆＤＣと表される。コーナーキューブ８までの距離は、内部参照光路ａと外部測定光路ｂの差として算出される。

以下、位相差測定回路１２の構成について説明する。図２は、位相差測定回路のブロック図である。位相差測定回路１２は、サンプリング部１８、入力アンプ１９、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２０、入力アンプ２１、ＢＰＦ２２、位相差測定部２３、発振器２４、入力アンプ２５、二値化回路２６を備える。

サンプリング部１８は、２チャンネル（Ｃｈ１，Ｃｈ２）の入力を持つＡ／Ｄ変換器である。２チャンネル持つため、２つの入力信号は、同じ変換タイミングでＡ／Ｄ変換される。位相差測定部２３は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの半導体集積装置で構成される。位相差測定部２３のクロック源を出力する発振器２４は、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）で構成される。

以下、位相差測定回路１２における信号処理について説明する。測距信号は、入力アンプ１９で増幅され、波形整形用のＢＰＦ２０を通過して、サンプリング部１８のＣｈ１に入力する。基準信号は、入力アンプ２１で増幅され、波形整形用のＢＰＦ２２を通過して、サンプリング部１８のＣｈ２に入力する。また、基準信号は、入力アンプ２５で増幅され、二値化回路２６によって二値化されて、位相差測定部２３に入力する。なお、二値化回路２６は、基準信号の替わりに、測距信号を二値化してもよい。

位相差測定部２３は、二値化回路２６からの二値化データを入力する。位相差測定部２３は、二値化結果に基づき、処理信号周波数（ｆｉｎ）と一定の関係になるようにサンプリング周波数（ｆｓ）を生成する。この構成により、ｆｉｎが共振器長の変化に伴って大きく変化しても、ｆｓは動的に変更され、一定の関係に保たれる。ｆｓとｆｉｎとの関係については、後述する。

位相差測定部２３で生成されたｆｓは、サンプリング部１８に入力する。サンプリング部１８は、位相差測定部２３で生成されたｆｓで、２つの処理信号をサンプリングする。サンプリング結果は、位相差測定部２３に入力される。位相差測定部２３は、サンプリング結果に基づき、ｆｉｎを検出し、最小二乗法を用いてサンプル波形を正弦波形にフィッティングする。そして、位相差測定回路１２は、基準信号と測距信号の正弦波形の位相差を測定する。測定された位相差は、距離測定部１７に出力される。

以下、ｆｉｎとｆｓとの関係について説明する。図３は、ｆｉｎ＜ｆｓの場合の処理信号波形を示す図（Ａ）と、サンプル波形を示す図（Ｂ）である。図３（Ａ）に示すように、ｆｉｎに対してｆｓが十分に高い場合にはサンプル数が多くなるため、図３（Ｂ）に示すように、サンプリングされたデータをそのまま並べれば、元の波形を再現できる。

図３では、簡易的にｆｓ＝６×ｆｉｎというｆｓとｆｉｎが同期した関係でサンプリングが行われているが、実際には両者は非同期であるため、ｆｓとｆｉｎの周波数差を大きく取り、1周期中のサンプル数を多くしたり、サンプルする位相の数を増やしたりすることで、精密な位相差測定が行われる。

例えば、ｆｉｎが５０ＭＨｚ±Δｆである場合には、ｆｓは約５００ＭＨｚ以上の周波数が必要となる。したがって、ｆｉｎ＜ｆｓの場合には位相差測定回路１２の構成が複雑かつ高価になる。

回路構成を簡易かつ安価に構成するためには、アンダーサンプリング（ｆｉｎ＞ｆｓ、ｆｒ＞ｆｓ）が好適である。図４は、ｆｉｎ＞ｆｓの場合の処理信号波形を示す図（Ａ）と、サンプル波形を示す図（Ｂ）である。図４（Ｂ）に示すように、得られるサンプル波形はぎざぎざの変化を示し、サンプリングされたデータをそのまま並べただけでは元の波形を再現できない。

そこで、ｆｉｎとｆｓの関係を以下に示す関係式の状態にすることで、得られるデータを並べただけで、新しい正弦波信号を生成し、その周期を調べることでｆｉｎを計算で求めることができる。

ｆｉｎとｆｓの関係が上式を満たしている例を図５に示す。図５（Ａ）は、ｆｉｎ＞ｆｓであり、ｆｉｎとｆｓが上式の関係にある処理信号波形を示す図であり、図５（Ｂ）は、サンプル波形を示す図である。

この例では、ｎ＝３、ａ＝１／１０に設定されている。すなわち、サンプル周期にはｆｉｎの周期が３つあり、サンプル波形で再現されたｆｉｎの１周期には、１０個のサンプルデータがある。なお、ｎおよびａは、図示省略した操作部によって変更可能である。

この場合、位相差測定部２３は、二値化回路２６からの二値化結果に基づき、ｆｉｎが約４９．５ＭＨｚであると判断した場合には、上式からｆｓを４９．５ＭＨｚ／（３−１／１０）≒１７．０７ＭＨｚに変更する。これによって、ｆｉｎとｆｓは一定の関係（ｎが一定）となる。

サンプリング部１８は、位相差測定部２３によって生成されたｆｓ（１７．０７ＭＨｚ）で測距信号および基準信号をサンプリングする。サンプリングされたデータは、サンプリング１８から位相差測定部２３に出力される。

位相差測定部２３は、サンプリングされたデータを並べてサンプル波形を作り、サンプル波形で再現されたｆｉｎの１周期内のサンプル数を計算し、ａを求める。ａが求まれば、ｎは一定なので、ｆｉｎが検出される。

例えば、このサンプル数が１１個である場合には、上式から、ｆｉｎ＝１７．０７ＭＨｚ×（３−１／１１）≒４９．６６ＭＨｚとなる。

ｆｉｎが求まると、位相差測定部２３は、最小二乗法を用いて、２つの処理信号のサンプルデータを４９．６６ＭＨｚの正弦波にフィッティングする。また、位相差測定部２３は、得られた２つの正弦波の位相差を測定する。位相差は、距離測定部１７に出力される。

なお、ｎおよびａの設定において、例えば、二値化結果に基づくｆｉｎが４８．６８３ＭＨｚ、ｎ＝２６、ａ＝１／１００とした場合、ｆｓは、４８．６８３÷（２６＋１／１００）≒１．８７３ＭＨｚに変更される。

このように、ｎをより大きくすることで、より低いｆｓ（１．８７３ＭＨｚ）で安定したサンプリングを行うことができる。すなわち、ｆｉｎ（４８．６８３ＭＨｚ）の処理信号を、見かけ上２０ｋＨｚ程度の信号と同じようにサンプリングすることができる。

また、ａをより小さくすることで、サンプル波形の１周期中のサンプル数が多くなるため、ｆｉｎ（４８．６８３ＭＨｚ±Δｆ）をより精密に検出することができる。

（第１の実施形態の優位性）
第１の実施形態によれば、フェムト秒モード同期レーザ装置１の共振器長を固定化する手段や、周波数を安定化する手段を設けずに、２つの処理信号の周波数を計算で求め、その位相差から距離を測定することができる。

また、アンダーサンプリング（ｆｉｎ＞ｆｓ）でｆｉｎを検出するため、位相差測定回路１２を簡易かつ安価な構成にすることができる。

なお、ｆｓは、ｆｉｎと、サンプル周期に含まれるｆｉｎの周期の整数（ｎ）と、１／ｆｉｎの１周期内のサンプル数（ａ）との関係式ｆｉｎ＝ｆｓ×（ｎ±ａ）に基づいて設定される。

このｎおよびａは、図示省略した操作部によって変更可能である。ｎをより大きく設定することで、より低いｆｓで安定したサンプリングを行うことができる。また、ａをより小さく設定することで、処理信号の１周期内のサンプル数が多くなり、ｆｉｎを精密に検出することができる。

また、ｆｉｎの変化に対してｎが一定である場合、サンプルデータを並べた波形の１周期内のサンプル数（１／ａ）を数えるだけで、ｆｉｎを検出することができる。

なお、基準信号を二値化することによって、ｆｉｎとｆｓを一定の関係（ｎを一定）にすることができる。

２．第２の実施形態
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。第１の実施形態では、フェムト秒モード同期レーザ装置１からの基準光２７の受光信号を用いて、測距信号の周波数を低くした（セルフビートダウン法）。

第２の実施形態では、基準光２７の受光信号を用いずに、測距信号の周波数をビートダウンする方法（ローカルオシレータ法）について説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

図６は、第２の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。第１フィルタ１４と第２フィルタ１１は、それぞれ測定受光部６の受光信号および基準受光部３の受光信号から、同一の高周波数成分（例えば４０ＧＨｚ近辺）を抜き出す。なお、ここで抜き出す周波数成分は、単一周波数成分である必要はなく、その周辺の周波数成分が抜き出されれば良い。そして、第1フィルタ１４と第２フィルタ１１を通過した周波数成分は、それぞれ第１ミキサ３１および第２ミキサ３２に出力される。

第１ミキサ３１および第２ミキサ３２は、第１フィルタ１４および第２フィルタ１１から入力した高周波数成分（例えば４０ＧＨｚ近辺）と僅かに差がある周波数成分（例えば４０ＧＨｚ＋１０ＭＨｚ）を発振器３０から入力する。

第１ミキサ３１は、第１フィルタ１４で抜き出された高周波数成分（４０ＧＨｚ近辺）と発振器３０からの高周波数成分（４０ＧＨｚ＋１０ＭＨｚ）との和と差の周波数成分を第３フィルタ３３に出力する。第３フィルタ３３は、差の周波数成分（１０ＭＨｚ）を抜き出し、測距信号として位相差測定回路１２に出力する。なお、差の周波数成分（１０ＭＨｚ）以外の周波数成分は、その差の周波数成分から離れた値となるので、たとえ第１フィルタ１４で単一周波数成分を抜き出さなくても、第３フィルタ３３によって容易に分離できる。

第２ミキサ３２は、第２フィルタ１１で抜き出された高周波数成分（４０ＧＨｚ近辺）と発振器３０からの高周波数成分（４０ＧＨｚ＋１０ＭＨｚ）との和と差の周波数成分を第４フィルタ３４に出力する。第４フィルタ３４は、差の周波数成分（１０ＭＨｚ）を抜き出し、基準信号として位相差測定回路１２に出力する。

位相差測定回路１２は、第３フィルタ３３で抜き出された測距信号と第４フィルタ３４で抜き出された基準信号を入力する。位相差測定回路１２および距離測定部１７における処理は、第１の実施形態と同様である。

（第２の実施形態の優位性）
光周波数コムの周波数間隔は、予め定めた共振器長で決まる光パルスの繰り返し周波数である。例えば、この周波数間隔が５０ＭＨｚの場合には、セルフビートダウン法で５０ＭＨｚより低い周波数成分（例えば１０ＭＨｚ）を抜き出すのは不可能である。

また、距離の測定分解能を上げるために、高周波数成分（例えば４０Ｇ）が必要であるが、この高周波数成分と僅かに差がある高周波数成分（４０ＧＨｚと４０Ｇ＋５０ＭＨｚ）を一本だけ電気的なフィルタで抜き出すのは困難である。

しかしながら、第２の実施形態によれば、発振器３０を用いて、僅かに差がある高周波数成分（４０ＧＨｚ＋１０ＭＨｚ）を生成するため、１０ＭＨｚまで周波数をビートダウンすることができる。これにより、距離の測定精度を向上することができる。

３．第３の実施形態
以下、第２の実施形態の変形例について説明する。図７は、第３の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。距離測定装置は、第２の実施形態で用いた発振器３０の替わりに第５フィルタ４０を備える。また、第1フィルタ１４と第２フィルタ１１は単一周波数成分（例えば１０ＧＨｚ）を抜き出す構成となっている。第１および第２の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

第５フィルタ４０は、基準受光部３からの受光信号を入力する。第５フィルタ４０は、第１フィルタ１４および第２フィルタ１１から出力される周波数成分（例えば１０ＧＨｚ）と僅かに差がある周波数成分（例えば１０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を基準受光部３の受光信号から抜き出す。なお、この周波数成分の差は、光周波数コムの周波数間隔（５０ＭＨｚ）の整数倍であれば良いが、ここでは光周波数コムの周波数間隔と等しく設定してある。

第１ミキサ３１は、第１フィルタ１４で抜き出された周波数成分（１０ＧＨｚ）と第５フィルタ４０からの周波数成分（１０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）との和と差の周波数成分を第３フィルタ３３に出力する。第３フィルタ３３は、差の周波数成分（５０ＭＨｚ）を抜き出し、測距信号として位相差測定回路１２に出力する。

第２ミキサ３２は、第２フィルタ１１で抜き出された周波数成分（１０ＧＨｚ）と第５フィルタ４０からの周波数成分（１０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）との和と差の周波数成分を第４フィルタ３５に出力する。第４フィルタ３４は、差の周波数成分（５０ＭＨｚ）を抜き出し、基準信号として位相差測定回路１２に出力する。位相差測定回路１２および距離測定部１７における処理は、第１の実施形態と同様である。

（第３の実施形態の優位性）
第３の実施形態によれば、基準光２７の受光信号を用いて、測距信号および基準信号の周波数を低くすることができる。

４．第４の実施形態
以下、第２の実施形態の変形例について説明する。第４の実施形態では、図６の発振器３０における発振周波数のゆらぎの問題を改善する。図８は、第４の実施形態に係る距離測定装置のブロック図であり、図９は、光周波数コムと第４の実施形態との関係を説明する説明図である。なお、第１および第２の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

第１フィルタ１４は、測定受光部６からの受光信号から第１の高周波数成分（例えば４０ＧＨｚ）を含む高周波数成分（例えば４０ＧＨｚ近辺）を抜き出す。第３フィルタ１３は、第１フィルタ１４で抜き出した高周波数成分と僅かに差がある第２の高周波成分（例えば４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を含む高周波数成分（例えば４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ近辺）を抜き出す。

発振器５０は、第１の高周波数成分（４０ＧＨｚ）および第２の高周波数成分（４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）と十分に差がある単一高周波数成分（３９ＧＨｚ）を第１ミキサ３１と第２ミキサ３２に出力する。なお、「十分に差がある」とは、ある周波数（例えば４０ＧＨｚ）の４０分の１以上の差（１ＧＨｚ）があることをいう。

第１ミキサ３１は、第１フィルタ１４からの高周波数成分（４０ＧＨｚ近辺）と発振器５０の単一高周波数成分（３９ＧＨｚ）を乗算して、和と差の周波数成分を生成する。第４フィルタ５１は、第１の高周波数成分と発振器５０の単一高周波数成分との差の周波数成分（１ＧＨｚ）を抜き出す。なお、第１フィルタ１４は、この差の周波数成分（１ＧＨｚ）と同じ値の周波数成分を生成する高周波数成分（例えば３８ＧＨｚ）を含まないように設定されている。

第２ミキサ３２は、第３フィルタ１３からの高周波数成分（４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ近辺）と発振器５０の単一高周波数成分（３９ＧＨｚ）を乗算して、和と差の周波数成分を生成する。第５フィルタ５２は、第２の高周波数成分と発振器５０の単一高周波数成分との差の周波数成分（１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を抜き出す。なお、第３フィルタ１３は、この差の周波数成分（１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）と同じ値の周波数成分を生成する高周波数成分（例えば３７ＧＨｚ＋９５０ＭＨｚ）を含まないように設定されている。

第３ミキサ５３は、第４フィルタ５１からの周波数成分（１ＧＨｚ）と、第５フィルタ５２からの周波数成分（１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を乗算して、和と差の周波数成分を生成する。第６フィルタ５４は、差の周波数成分（５０ＭＨｚ）の測距信号を抜き出す。測距信号は、位相差測定回路１２に入力する。

第２フィルタ１１は、基準受光部３からの受光信号から、第６フィルタ５４から位相差測定回路１２に入力された周波数成分と同じ周波数の低周波数成分（５０ＭＨｚ）の基準信号を抜き出す。ここでは、基準信号の周波数は、光パルスの繰り返し周波数（５０ＭＨｚ）と等しくなるよう設定している。基準信号は、位相差測定回路１２に入力する。位相差測定回路１２および距離測定部１７における処理は、第１の実施形態と同様である。

（第４の実施形態の優位性）
第２の実施形態では、図６の発振器３０の発振周波数は、時間的なゆらぎを有しているため、第１フィルタ１４および第２フィルタ１１からの高周波数成分（４０ＧＨｚ）と僅かな差しかない発振器３０の高周波数成分（４０ＧＨｚ＋１０ＭＨｚ）をミキシングすると、そのゆらぎが、ビートダウンする測距信号（１０ＭＨｚ）に乗ってしまう。

第４の実施形態によれば、発振器５０の周波数に時間的なゆらぎがあったとしても、同等のゆらぎを有する周波数成分同士を第３ミキサ５３で乗算し、差の周波数成分を第６フィルタ５４で抜き出すので、そのゆらぎはキャンセルされてビートダウンした測距信号（５０ＭＨｚ）に乗らない。したがって、時間的なゆらぎが小さい発振器を使用する必要がない。また、時間的なゆらぎが大きい発振器を用いたとしても、安定して距離を測定することができる。

本発明は、光周波数コムを用いて、２以上の周期信号の位相差から距離を測定する距離測定装置に用いることができる。

１…フェムト秒モード同期レーザ装置、２…スプリッタ、３…基準受光部、４…ハーフミラー、５…ハーフミラー、６…測定受光部、７…レンズ、８…コーナーキューブ、９…レンズ、１０…チョッパー、１１…第２フィルタ、１２…位相差測定回路、１３…第３フィルタ、１４…第１フィルタ、１５…ミキサ、１６…第４フィルタ、１７…距離測定部、１８…サンプリング部、１９…入力アンプ、２０…バンドパスフィルタ、２１…入力アンプ、２２…バンドパスフィルタ、２３…位相差測定部、２４…発振器。

Claims (11)

1. レーザ光束として光周波数コムを発生するレーザ装置と、
   前記レーザ光束を基準光と測距光に分割する分割手段と、
   前記基準光を受光して複数のビート信号を出力する基準受光部と、
   前記測距光を受光して複数のビート信号を出力する測定受光部と、
   前記測定受光部から少なくとも一つのビート信号を取り出す第１フィルタと、
   前記基準受光部から少なくとも一つのビート信号を取り出す第２フィルタと、
   前記第１フィルタおよび前記第２フィルタを介して入力するビート信号の周波数と非同期のサンプリング周波数で前記ビート信号をサンプリングするサンプリング部と、
   前記サンプリング部が出力するサンプル結果に基づいて、前記ビート信号の実際の周波数を演算すると共に、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタを介して入力する２つのビート信号の位相差を測定する位相差測定部と、
   前記位相差測定部の測定する位相差に基づいて距離を測定する距離測定部と、を備えることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記サンプリング周波数（ｆｓ）は、前記レーザ装置で予め定めた共振器長によって決まる光パルスの繰り返し周波数（ｆｒ）よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記サンプリング周波数（ｆｓ）は、前記第１フィルタまたは前記第２フィルタを介して入力するビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ＝ｆｒ±Δｆ）よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
4. 前記サンプリング周波数（ｆｓ）は、前記ビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ）と、サンプル周期に含まれるｆｉｎの周期の整数（ｎ）と、１／ｆｉｎの１周期内のサンプル数（ａ）との関係式ｆｉｎ＝ｆｓ×（ｎ±ａ）に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
5. 前記サンプル周期に含まれるｆｉｎの周期の整数（ｎ）と、前記１／ｆｉｎの１周期内のサンプル数（ａ）は、変更可能であることを特徴とする請求項４に記載の距離測定装置。
6. 前記ビート信号の実際の周波数（ｆｉｎ）は、前記サンプル結果で構成される波形の１周期内のサンプル数（１／ａ）に基づいて演算されることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
7. 前記第１フィルタまたは前記第２フィルタを介して入力するビート信号を二値化する二値化回路をさらに備え、前記位相差測定部は、前記二値化回路からの二値化結果に基づき、サンプリング周波数を変更することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
8. 前記基準受光部からビート信号を入力して、前記第１フィルタが取り出すビート信号の周波数成分と異なる周波数成分のビート信号を取り出す第３フィルタと、
   前記第１フィルタと前記第３フィルタが取り出す２つのビート信号の和と差の周波数成分を生成するミキサと、
   前記ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第４フィルタとをさらに備え、
   前記位相差測定部は、前記第３フィルタおよび前記第２フィルタからの２つのビート信号の位相差を測定することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
9. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタが取り出すビート信号の周波数成分と異なる周波数の周期信号を発振する発振器と、
   前記第１フィルタが取り出すビート信号と前記発振器が発振する周期信号の和と差の周波数成分を生成する第１ミキサと、
   前記第２フィルタが取り出すビート信号と前記発振器が発振する周期信号の和と差の周波数成分を生成する第２ミキサと、
   前記第１ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第３フィルタと、
   前記第２ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第４フィルタとをさらに備え、
   前記位相差測定部は、前記第３フィルタおよび前記第４フィルタからの２つのビート信号の位相差を測定することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
10. 前記発振器の替わりに、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタが取り出すビート信号の周波数成分と異なる周波数成分のビート信号を前記基準受光部から取り出す第５フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の距離測定装置。
11. 前記基準受光部からビート信号を入力して、少なくとも一つのビート信号を取り出す第３フィルタと、
    前記第１フィルタおよび前記第２フィルタが取り出すビート信号の周波数成分と異なる周波数の周期信号を発振する発振器と、
    前記第１フィルタで取り出されたビート信号と前記発振器が発振する周期信号の和と差の周波数成分を生成する第１ミキサと、
    前記第３フィルタで取り出されたビート信号と前記発振器が発振する周期信号の和と差の周波数成分を生成する第２ミキサと、
    前記第１ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第４フィルタと、
    前記第２ミキサから前記第４フィルタで取り出されたビート信号の周波数成分と異なる周波数成分のビート信号を取り出す第５フィルタと、
    前記第４フィルタで取り出されたビート信号と前記第５フィルタで取り出されたビート信号の和と差の周波数成分を生成する第３ミキサと、
    前記第３ミキサから差の周波数成分を有するビート信号を取り出す第６フィルタとをさらに備え、
    前記位相差測定部は、前記第６フィルタおよび前記第２フィルタからの２つのビート信号の位相差を測定することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
    

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