JP2012502301A - 対チャープｆｍｃｗコヒーレントレーザレーダー用の小型の光ファイバ配置 - Google Patents

Abstract

測定装置（２０Ａ）と物体（２１）との間の測定距離を決定するためのシステム及び方法であって、システムは、第１の波形（３２）及び第１の周波数を有する第１の光ビーム（１３Ａ）を生成する第１のレーザ光源（１３）；第２の周波数及び第２の波形（３６）を有する第２の光ビーム（１１Ａ）を生成する第２のレーザ光源（１１）であって、前記第２の周波数が第２の率でチャープダウンされるときに前記第１の周波数は第１の率でチャープアップされ、前記第１の周波数が第１の率でチャープダウンされるときに前記第２の周波数は第２の率でチャープアップされる、第２のレーザ光源（１１）；前記第１の光ビーム（１３Ａ）を前記第２の光ビーム（１１Ａ）と結合して結合光ビーム経路（１７）に入力させる光学素子（１５）であって、前記結合光ビーム経路（１７）からの戻り部分を第３の光ビーム（２４）に分割する光学素子（１５）；及び測定距離に比例する２つの異なるビート周波数を含む前記第３の光ビーム（２４）を受光する単一の検出器（２３）を含む。

Description

本実施形態は一般的に、物体（ターゲット）までの距離を測定するための光センサに関する。

光ファイバを通して光を伝送することが知られているが、ファイバ自体に対して環境が影響を与えるために、精度は低下し得る。これらの環境影響は、光路長及びファイバにおける光の偏光を変化させ、測定精度に悪影響を与え得る。光ヘテロダイン検出を使用することによって、量子雑音レベルでの光学的放射検出が可能となる。そのようなものとして、コヒーレント光学系は距離、精度、信頼性、走査範囲、作動被写界深度、及び周辺光条件での動作を改善できる。さらに、コヒーレント系は、ターゲット位置の特徴について十分な情報を迅速に得ることができる。

光ヘテロダイン検出は、ターゲットに向けられてそこから反射する光源光ビームを含む。その後、戻り光ビームは、光検出器で局部発振器の光ビームと混合されて、ターゲットに関する詳細な情報を提供するように処理され得る光学干渉パターンをもたらす。光ヘテロダイン技術は光源と反射光ビームの相互関係性を利用し得る。例えば、これらの光ビームは実質的に同じ波長とすることができ、同じ光学軸に向けられる。この場合、信号対雑音比（ＳＮＲ）は十分に高いので、小さな受光開口、例えば、限定されたアクセス領域に挿入可能な非常に小さなレンズを使用し得る。小さな受光開口はターゲットに関する詳細な情報を提供できるため、コヒーレント系の光学部品を非常に小さくし得る。

精密ＦＭレーザレーダーは、単一のチャープレーザ光源と、別個の局部発振器（ＬＯ）経路及び信号経路を備える偏光維持光ファイバの配置とを組み込む場合がある。正確なドップラー補正による距離誤差によって誘発された振動に反応しないようにされた対チャープ（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃｈｉｒｐ）構成が必要とされる。さらに、２つのレーザのためのＬＯ経路と信号経路とを単一のファイバに結合して、光ファイバ回路を、構成部品をより少数にすることにより、構成の複雑化をより低減し、安価にし、かつ、温度変化などの環境要因から生じるＬＯ及び信号経路長における変化に起因する誤差に影響されないようにする必要がある。例えば、暗振動及び環境条件の変化の双方が存在する製造業が、このレーザ構成のユーザの候補となり得る。ＬＯ経路と信号経路とを結合することによって、ユニットのセンサのヘッド部分を、体積が制限されている領域に配置できるという追加的な利点をもたらし得る。なぜなら、ヘッド部分をユニットの残りの部分から任意に離した位置に配置できるためである。

要約すると、非常に正確で、測定時間が短く、狭いスペースにもアクセスでき、柔軟性及び信頼性があることを可能にする実用的な光学的精密測定システムが必要とされている。

上述のニーズ、ならびに別の及び他のニーズ及び利点を、以下説明する実施形態で取り上げる。

本実施形態は、第１の光ビームを生成する第１のレーザ光源、第２の光ビームを生成する第２のレーザ光源、第１の光ビームと第２の光ビームを結合して結合光ビームにし、かつ結合光ビームのいずれの戻り部分も第３の光ビームに分割する第１の光学素子、及び第３の光ビームを受光する第１の検出器を含むことができ、第１の光ビーム及び第２の光ビームの波形は、第２の光ビームがチャープダウンされるときに第１の光ビームはチャープアップされ、及びその逆が行われるように、互いに１８０度位相がずれている構成であるが、この構成に限定されない光学距離測定装置に関する。別の実施形態では、離れた物体との距離を決定する方法は、第１のレーザ光源からの第１の光ビームと、第２の光源からの第２の光ビームとを生成するステップ、光源から出射した光が物体の方に向けられるステップ、各光源の、反射したＬＯ経路及びターゲットで反射した信号経路を受光するステップ、各光源のＬＯ経路及び信号経路を検出するステップ、及び各光源の経路のヘテロダインを行って、２つの経路間の距離差に比例するビート周波数を生成するステップを含むことができ、ここで、第１の光ビーム及び第２の光ビームの波形は、第２の光ビームがチャープダウンされるときに第１の光ビームはチャープアップされ、及びその逆が行われるように、互いに１８０度位相がずれており、かつＬＯ経路と、対応する信号経路との間の経路長差は測定距離に等しい方法が考慮される。

本実施形態の、測定装置の出力部と物体との間の測定距離を決定する方法は、第１のレーザ光源からの第１の周波数を有する第１の光ビームと、第２のレーザ光源からの第２の周波数を有する第２の光ビームとを生成するステップ、第２の周波数が第２の率でチャープダウンされるときに第１の周波数を第１の率でチャープアップするステップ、第１の周波数が第１の率でチャープダウンされるときに第２の周波数を第２の率でチャープアップするステップ、第１の光ビームと第２の光ビームを結合するステップ、結合光ビーム経路を物体の方に向けるステップ、結合光ビーム経路に関連する、反射した局部発振器（ＬＯ）経路光ビームを受光するステップ、結合光ビーム経路に関連する、ターゲットで反射した信号経路光ビームを受光するステップ、及びＬＯ経路光ビームとターゲットで反射した信号経路光ビームとのヘテロダインを行って、測定距離に比例する２つの異なるビート周波数を生成するステップであって、２つのビート周波数が単一の検出器によって検出されるステップを含み得るが、これに限定されない。

測定装置と物体との間の測定距離を決定するシステムは、第１の波形及び第１の周波数を有する第１の光ビームを生成する第１のレーザ光源、第２の周波数及び第２の波形を有する第２の光ビームを生成する第２のレーザ光源、第１の光ビームと第２の光ビームを結合して結合光ビーム経路に入力させる光学素子であって、結合光ビームの戻り部分を第３の光ビーム経路に分割する光学素子、及び測定距離に比例する２つの異なるビート周波数を含む第３の光ビームを受光する単一の検出器を含み得るが、これに限定されず、ここで、第２の周波数が第２の率でチャープダウンされるときに第１の周波数は第１の率でチャープアップされ、第１の周波数が第１の率でチャープダウンされるときに第２の周波数は第２の率でチャープアップされる。

あまり一般的ではない用語において、本実施形態は、第１のチャープ変調信号によって変調された第１の放射周波数を有する第１のコヒーレント光ビームを放射する第１の周波数変調レーザと、第２のチャープ変調信号によって変調された第２の放射周波数を有する第２のコヒーレント光ビームを放射する第２の周波数変調レーザとを含む、精密絶対距離測定のためのディプレックス二重チャープレーザ装置である。第２のチャープ変調信号は、第１のチャープ変調信号から一定の位相差で、好ましくは１８０度の位相差でチャープするように定められている。さらに、第２のレーザのチャープ率は、第１のレーザのチャープ率と十分に異なり、２つの極めて測定可能なビート周波数が検出器において生成される。本実施形態はさらに、第１の周波数変調レーザに光学的に接続された光ファイバ結合器を含むことができ、ここで、第１のコヒーレント光ビームは名目上５０％の２つの部分に分割される。加えて、光ファイバ結合器は、第２の周波数変調レーザに光学的に接続され、第２のコヒーレント光ビームは、名目上５０％の２つの部分に分割される。

直線偏光維持ファイバのビームの出射端部には境界面があり、それにより、第１のコヒーレント光ビーム及び第２のコヒーレント光ビームのそれぞれからの透過光の一部が反射して光ファイバ結合器に向かって戻り、かつそこから光検出器を透過し、それにより、透過光の相補部分がターゲットに透過し、ターゲットから境界面に戻される；光ファイバ結合器に光学的に接続された光学的検出器があり；それにより、第１のコヒーレント光ビームからの透過光の反射部分と、ターゲットからの第１のコヒーレント光ビームの戻りとの間に第１の干渉が生じ、それにより、光学的検出器が、第１の干渉からの第１のビート周波数及び第２の干渉からの第２のビート周波数を検出し、それにより、第２のコヒーレント光ビームからの透過光の反射部分と第２のコヒーレント光ビームの戻りとの間に第２の干渉が生じる。その後、ビート周波数信号が、第１の測定ビート周波数及び第２の測定ビート周波数を生成するように構成されたデジタル信号処理装置に送信される。本実施形態では、較正された参照アーム標準は光ファイバ結合器に光学的に接続でき、かつ第１のコヒーレント光ビームの名目上５０％の２つの部分の一方を受光でき、さらに、第１の参照アーム出力を生成できる；この参照アームはまた、第２のコヒーレント光ビームの名目上５０％の２つの部分の一方を受光でき、さらに、第２の出力周波数を生成する。コンピュータ装置は、第１の測定ビート周波数を第１の参照アーム出力と結合させて第１の測定絶対距離を生成し、さらに第２の測定ビート周波数を第２の参照アーム出力と結合して第２の測定絶対距離を生成する。コンピュータ装置はさらに、第１の測定絶対距離を第２の測定絶対距離と結合して複合測定絶対距離を生成し、複合測定絶対距離の不確実性を実質的に低減する。

任意であるが、較正された参照アーム標準は光ファイバ干渉計である。同様に任意であるが、光ファイバ干渉計は、第２の光ファイバ結合器に光学的に接続されていて、入来光を２つの部分に分割することができる第１の光ファイバ結合器；較正された光路長差を有し、及び第１の光ファイバ結合器からの入来光の部分をそれぞれ受光する異なる光路長の２つの光ファイバ；各ファイバの端部に設けられていて、光をファイバ結合器で反射させて戻し、それにより、２つの光ファイバからの２つの光の部分を再結合させ、それにより、干渉及び結果としてビート周波数を生じさせる終端結合器；ビート周波数を検出する検出器を含むことができる。それぞれの結果は、各レーザの測定ビート周波数を生成するように構成されたデジタル信号処理装置に進み、かつ各レーザの前記測定ビート周波数は、参照アーム標準用の参照アーム出力を含む。

本実施形態は、飛行機及び自動車工場などに存在する不安定な環境における非接触型の精密距離測定への応用において、例えば、組立時に部品を一列に測定するために、適用できる。

本実施形態をより理解するために、他の及びさらなる実施形態と共に、添付の図面及び詳細な説明を参照する。

コヒーレントレーザレーダーのレーザ光周波数及びヘテロダインされた無線周波数（ＲＦ）信号のグラフである。 線形周波数変調すなわち「チャープ」、及び、ターゲットの相対運動がある場合に第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１１のためのＬＯ光信号とターゲット光信号との結合から生じた対応する「ビート」周波数のグラフである。 対チャープ構成において２つのレーザ光源を有する構成の概略図である。 後方反射を最小にしかつ回路を平面光波回路で実施しやすくする代替的な実施形態の概略図である。 ３×３偏光維持結合器を有する別の代替的な実施形態の概略図であり、本実施形態は、出力ファイバに沿って後方散乱する光によって生成された雑音の量を低減することによって、システムの感度を高めることができる。 ２×２偏光維持結合器を有する別の代替的な実施形態の概略図であり、本実施形態もまた、出力ファイバに沿って後方散乱する光によって生成された雑音の量を低減することによって、システムの感度を高めることができる。 複数の出力ビームを有する別の代替的な実施形態の概略図である。 遅延線を使用して様々な出力信号を１つの検出器上で多重化し、それゆえレーダーのコストを削減し及び複雑性を低減する配置の概略図である。 マルチビーム概念の構成の代替的な実施形態の概略図である。 別の代替的なマルチ出力の実施形態の概略図である。 ファイバピッグテール可視レーザダイオードからの光を出力ファイバに結合する概略図である。 局部発振器経路及び信号経路の生成の概略図である。

本実施形態を説明する前に、説明の特定の装置、方法及び構成要素は変更することが可能であるため、本開示はそれらに限定されないことを理解されたい。本願明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本開示の範囲を限定するものではないことも理解されたい。以下の構成の説明は、例示目的として提示されるにすぎない。本願明細書で説明する条件を満たすいずれの構成及びアーキテクチャも本実施形態のシステム及び方法を実施するのに好適とし得る。

さらに、本願明細書及び独立請求項で使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈において明示しない限り複数形も含むことを理解されたい。それゆえ、例えば、「アイソレータ」は複数のそのようなアイソレータを含み、「レンズ系」は１つ以上のレンズ及び当業者に公知のその等価物を含む。別段の定義がない限り、本願明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、一般に当業者が理解しているものと同じ意味を有する。

図１を参照すると、光源としてダイオードレーザを使用するコヒーレント又はＦＭレーザレーダーでは、レーザの注入電流を変調させることによってレーザの周波数を直接変調させる。一般に、周波数を、直線変調をもたらすために波形によって変調させる。このタイプの変調はチャープと呼ばれることが多い。２つのレーザにそれらの出力波長を変調させるために送信される２つのチャープ変調入力信号又は波形は同じではない。各レーザは、同調の仕方は一意であり、それゆえ、各レーザに一意の波形が生成される必要がある。波形の形状及び振幅の双方ともレーザ毎に異なる。チャープ期間中は、波長に所与の変化をもたらす線形チャープを生じさせる入力注入電流波形を生成することが重要である。このタイプの応用のための変調の一般的な形態では、注入電流変調信号の形状は各レーザに一意であり、注入電流変調信号は、レーザの出力に対して線形の鋸歯状周波数変調エンベロープをもたらすようにされた歪曲鋸歯状波である。コヒーレントＦＭＣＷ反射率測定の基礎は、同じ線形チャープ光源に由来する２つの信号のヘテロダイン式混合である（一方の信号は局部発振器「ＬＯ」経路を辿る一方、他方の信号はターゲットから反射して戻る）。試験経路に沿ったサイト（ｓｉｔｅ）から反射した信号と、参照反射部からの信号との間でのいずれの時間遅延も、混合出力にビート周波数を生じさせる。ビート周波数の値は時間遅延に比例する一方、ビート周波数における信号のサイズは、対応する反射率に比例する。それゆえ、この出力のスペクトル解析は、（参照経路長に対する）位置と、試験経路に沿ったいずれかのサイトからの反射強度とを明らかにする。

ここで図１を参照すると、第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１１のそれぞれのＬＯ光及び信号光の周波数が波形３２、３４、３６、及び３８としてグラフに示されている。レーダーとターゲット２１（ここでは物体２１と同じ意味で使用される）との間に相対運動がない場合には、ドップラーシフトがなく、及びＬＯ光と信号光との混合によって生じたビート周波数は、第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１１のそれぞれの上向き曲線及び下向き曲線で同じである。第１のレーザ光源１３ではビート周波数はｆ_１３３であり、及び第２のレーザ光源１１ではビート周波数ｆ_２３５である。変調周期４２、Ｔ_ｍｏｄは、第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１１の双方に対して同一であり、及び第１のレーザ光源１３は第２のレーザ光源１１と１８０°位相がずれている。第１のレーザ光源１３の上向き曲線は、第２のレーザ光源１１の下向き曲線中に発生する。両レーザはほぼ同じ公称周波数の曲線となるが、第１のレーザ光源１３は、第２のレーザΔｆ_２４６よりも大きな曲線Δｆ_１４４となる。この場合、ｆ_１３３対ｆ_２３５の比はΔｆ_１４４対Δｆ_２４６の比と同じである。２つの異なる率で第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１１を調整することにより、単一の検出器２３を使用して２つの混合信号を検出できるため、必要な構成部品数を削減できる。２つの信号は異なる周波数にあり、それぞれ、デジタル信号処理技術を使用して測定できる。

ここで図２を参照すると、線形周波数変調すなわち「チャープ」が、ターゲットの相対運動がある場合に第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１１のＬＯ光信号とターゲット光信号との結合から生じる対応する「ビート」周波数と一緒にグラフで示されている。例示的な図２では、レーザベースの周波数は約２００テラヘルツであり、「ビート」周波数は１ＭＨｚ範囲にある。被測定表面が第１のレーザ光源１３に対して動く場合、レーザ上向き曲線に対応するビート周波数は、ドップラー周波数シフトのために、下向き曲線に対応するビート周波数とは異なる。信号間の周波数差の測定は、速度の決定を可能にする。１変調周期中のターゲットの距離及び速度が一定である場合、ｆ_１ｕｐ及びｆ_{１ｄｏｗｎ}を

（式中、ｆ_１は、距離による周波数であり、及びｆ_ｄはドップラーシフトによる周波数である）
で表すことができる。ｆ_１＞ｆ_ｄの場合、

であり、距離及び速度を

（式中、λは光学波長であり、及びνは相対速度である）
で表すことができる。

同様に、

である。

引き続き図２を参照すると、被測定表面がレーザ光源に対して動いている場合、レーザ上向き曲線に対応するビート周波数は、ドップラー周波数シフトのために、下向き曲線に対応するビート周波数とは異なる。これらの信号間の周波数差を測定することにより、速度の決定が可能となる。単一のレーザからのアップチャープ及びダウンチャープの処理によって、ターゲットの距離及び速度を別個に検出することが可能になる一方、ターゲットが振動する場合に発生し得るような、チャープ内（ｉｎｔｒａｃｈｉｒｐ）速度に何らかの変動があると、距離データは損なわれ得る。対チャープレーザを２つ用いることによって、距離誤差によって誘発されたこれらの速度を補償できる。次いで、得られる信号を処理して、速度誤差からの影響をより確実に受けないようにすることができる。上述の式（５）及び（７）にあるように、ドップラー補正された距離を判断するために単一のレーザからのアップチャープ及びダウンチャープを使用するのではなく、以下の式（９）に示すように、一方のレーザの上向き曲線及び他方のレーザの対応する下向き曲線のみを使用して補正距離を、ドップラー補償できる。

この方法はドップラー誤差を著しく低減させるのみならず、測定速度を効果的に２倍にして、単一の測定時間をＴ_ｍｏｄからＴ_ｍｏｄの２分の１に低減する。

計測間隔にわたる周波数変調の直線性によって距離測定の精度が限定され、例えば、ターゲットが１メートルの距離にある場合、千分の一の直線性は１ｍｍの精度をもたらす。直線性からのリアルタイム変化を検出及び補償できる場合、１桁のミクロン精度での距離測定を行うことができる。ＦＭレーザを周辺光条件及び表面反射率変化に影響されないようにできる。これは、ＦＭレーザレーダーが距離を計算するために、信号振幅に依存しないビート周波数に依存し得るためである。これにより、ＦＭコヒーレント系は、非常に少量の、例えば、１ピコワットの、戻りレーザエネルギーで、又は９桁のダイナミックレンジの感度で、信頼できる測定を行うことが可能となる。

コヒーレントＦＭＣＷ反射率測定の基本は、同じ線形チャープ光源に由来する２つの信号のヘテロダイン式の混合である（一方の信号は局部発振器「ＬＯ」経路を辿る一方、他方の信号はターゲットから反射して戻る）。試験経路に沿ったサイトから反射された信号と、参照反射部からの信号との間でのいずれの時間遅延も、混合出力にビート周波数を生じさせる。ビート周波数の値は時間遅延に比例する一方、ビート周波数における信号のサイズは、対応する反射率に比例する。それゆえ、この出力のスペクトル解析は、（参照経路長に対する）位置と、試験経路に沿ったいずれかのサイトからの反射強度とを明らかにする。

ここで図３を参照すると、システム１００は、レーザレーダーの光学的配置をもたらす対チャープ構成において２つのレーザ光源を有する構成を示す。レーザは、ヘテロダイン式の混合スキームにおいて２つの異なる同調率で同調され、かつ、平面光波回路（ＰＬＣ）で実行できて環境影響の影響を受けない二重チャープコヒーレントレーザレーダーの実施形態を構成する。本実施形態では、レーザ光を、２つの偏光維持（ＰＭ）ファイバピッグテールレーザダイオードＬＤ１ １３及びＬＤ２ １１によって生成できるが、これに限定はされない。レーザＬＤ１ １３からの光は、ＬＤ２ １１の同調率に応じた率で周波数が変調される。各レーザからの光は、光ファイバの光アイソレータ１２を通過して、後方反射光がレーザの同調特性を損なわないようにする。各レーザからの光を、例えば、可能な６つのポートのうちの５つを使用して３×３ＰＭ結合器１５で結合するが、これに限定はされない。次いで、光は結合光ビーム経路１７（ここではファイバ１７と同じ意味で使用される）を下って進み、形状に柔軟性のある間隙１８を通って測定サイトまで達することができる。ファイバ１７の端部では、光は結合光ビーム経路１７から出射され、出力部１９においてファイバから出力し、かつファイバ端部において一部分反射してファイバに戻される。反射光経路は各レーザレーダーの局部発振器（ＬＯ）経路となる。ファイバ１７から出射し、ターゲット２１で反射してファイバ１７に戻る光は、レーザレーダーの信号経路を画成する。任意ではあるが、レンズ系（ｌｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）２７を使用して、関心の測定領域に集光し、ファイバ１７へ戻る光の量を最大にする。レンズ系２７を、例えば、必要な光学的被写界深度に依存して固定焦点システム又は調整可能な焦点システムとし得る。加えて、光はレンズ系２７から出射後、任意選択の走査ミラー（図示せず）によってターゲット２１の異なる部分に向けて、２Ｄ又は３Ｄ測定を行うことができる。出力部１９から出射すると、レーザＬＤ１ １３及びＬＤ２ １１からの光は、一方向に直線偏光される。ターゲット２１から反射されると、各レーザからの光は、同じ偏光軸の結合光ビーム経路１７を有するファイバに再び入力して戻される。ＬＯ経路及び信号経路双方における光は結合器１５を通って、光学的検出器２３まで戻り、そこで、２つの経路からの光は混合されて、２つの経路間の距離差に比例するＲＦ信号を形成する。ＲＦ信号は、各レーザの同調率に対応し得る２つの周波数を含み得る。ＬＯ経路及び信号経路は、結合光ビーム経路１７を有するファイバ、及びファイバ２４を進むため、ＬＯ信号を生成する境界面２０において干渉が発生すると考えることができ、それゆえ、ＬＯ経路とその個々の信号経路との間の経路長差は、測定距離と等しい。それゆえ、結合光ビーム経路１７を有するファイバ、及び結合光ビーム経路を有するファイバ２４における、温度変化などの環境影響による光路の変化は、測定信号には何ら影響を及ぼさない。それゆえ、結合光ビーム経路１７を有するファイバの、結合器１５から出力部１９までの長さは、測定を低下させずに任意の長さとし得る。これにより、限定はされないが出力部１９、レンズ系２７、及び走査機構を含み得るセンサのヘッドを、体積が制限された領域に配置できる一方、限定はされないが他の光学素子、エレクトロニクス、及び電源装置を含むシステム１００の残りの構成部分を、センサのヘッドから離して配置できる。加えて、全ての光ファイバ構成は、浮遊物によるミスアライメント又は劣化に耐えることのできる耐久性の高いユニットを提供できる。

引き続き図３を参照すると、精密測定では、参照標準器４１／４２を、絶対測距の精度に含めることができ、かつ、レーザのチャープ波形を直線にすること及びチャープ波形の監視を支援する。参照標準器４１／４２は、Ｍｉｃｈａｅｌｓｏｎ構成の光ファイバ干渉計の形態をとり得るが、これに限定されない。参照アームのファイバの長さを較正する場合、参照標準器４１／４２は、システム１００のための絶対的な長さの標準としての機能を果たすと共に、第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１１波形の線形化に有用な信号を提供する。同じような方法で、参照検出器２９は、両レーザの線形化に有用な信号を提供できる。参照標準器４１／４２の別の有用な使用法は、所与の瞬間にレーザの正確な同調を検出することである。それを用いて、差動ドップラーを判断することができる。アイソレータ２５は、信号光検出器２３を参照標準器４１／４２からの光から分離できる。２×２結合器４１とファイバ４２との組み合わせは、以下の通り動作するＭｉｃｈａｅｌｓｏｎ参照アームである：光はアイソレータ２５から２×２結合器４１に入射し、複数の出力ファイバ４２に分割される。ファイバ４２の端部において空気／ガラス境界面に入射すると、光の一部分は、各ファイバで反射して、２×２結合器４１まで、及び参照検出器２９まで戻る。得られる混合信号は、各レーザの同調率及びファイバ４２間の長さの差に関連する。

引き続き主に図３を参照して、測定装置２０Ａの境界面２０と物体２１との間の測定距離を決定するための方法は、第１のレーザ光源１３からの第１の周波数を有する第１の光ビーム１３Ａと、第２のレーザ光源１１からの第２の周波数を有する第２の光ビーム１１Ａとを生成するステップ、第２の周波数が第２の率でチャープダウンされるときに第１の周波数を第１の率でチャープアップするステップ、第１の周波数が第１の率でチャープダウンされるときに第２の周波数を第２の率でチャープアップするステップ、第１の光ビーム１３Ａと第２の光ビーム１１Ａを結合するステップ、結合光ビーム経路１７を物体２１の方に向けるステップ、結合光ビーム経路１７に関連する、反射した局部発振器（ＬＯ）経路光ビーム４６１（図１１）を受光するステップ、結合光ビーム経路１７に関連する、ターゲットで反射した信号経路光ビーム４６９（図１１）を受光するステップ、及びＬＯ経路光ビーム４６１（図１１）とターゲットで反射した信号経路光ビーム４６９（図１１）とのヘテロダインを行って、測定距離に比例する２つの異なるビート周波数を生成するステップであって、この２つのビート周波数は単一の検出器２３によって検出されるステップを含むが、これに限定はされない。

引き続き、さらに主に図３を参照して、測定装置２０Ａと物体２１との間の測定距離を決定するためのシステム１００は、第１の波形３２及び第１の周波数を有する第１の光ビーム１３Ａを生成する第１のレーザ光源１３と、第２の周波数を有しかつ第２の波形３６を有する第２の光ビーム１１Ａを生成する第２のレーザ光源１１とを含み得るが、これに限定されず、ここで、第２の周波数が第２の率でチャープダウンされるときに第１の周波数は第１の率でチャープアップされ、及び第１の周波数が第１の率でチャープダウンされるときに第２の周波数は第２の率でチャープアップされる。システム１００はさらに、第１の光ビーム１３Ａと第２の光ビーム１１Ａを結合して結合光ビーム経路１７に入力させるための光学素子１５を含み得る。光学素子１５は、結合光ビーム経路１７からの戻り部分を第３の光ビーム２４（ここではファイバ２４と同じ意味で使用される）に分割でき、及び第３の光ビーム２４を受光する単一の検出器２３は、測定距離に比例する２つの異なるビート周波数を含む。

ここで主に図４を参照すると、システム１５０は代替的な実施形態を示す。この構成は、後方反射を最小にし、かつまた回路を、平面光波回路で実施しやすくする。３×２結合器１５（図３）を３つの２×１結合器４３、４５、及び４７で置き換え、及び２×２結合器４１（図３）を２つの２×１結合器４９及び５１で置き換える。第１のレーザ光源１３／第２のレーザ光源１１と２×１結合器４７との間のアイソレータ１２は図示しないが、システム１５０の一部であることに留意されたい。

ここで図５Ａ及び図１１を参照すると、システム２００は別の代替的な実施形態を示す。この構成は、出力ファイバに沿って後方散乱される光によって生成された雑音の量を低減することによりシステムの感度を高めることができる偏光ディプレックススキームに基づく。この配置では、各レーザからの光は３×３偏光維持結合器１５で結合される。次いで、光は図中上部に示すファイバを通って偏光スプリッタ５７まで下って進む。ファイバ６１を下って進む光は、アイソレータ６３によって消される。次いでファイバ５５からの出力光はファイバ５５を出射してレンズ系２７に入射する。この場合、境界面２０から反射されてファイバ５５に戻る光がないように、ファイバ端部に角度が付けられる。４分の１波長板４６３（図１１）は、光学偏光を、円偏光に変換できる。空気／ガラス境界面から反射されてファイバ５５に戻る光がないように、ファイバ端部に角度が付けられる。部分反射体４６５（図１１）は、少量の光を反射して４分の１波長板４６３（図１１）を通して出力ファイバ５５の直交偏光軸へと戻す。この光は局部発振器（ＬＯ）としての機能を果たす。レンズ系２７から出射し、ターゲット２１で反射し、４分の１波長板４６３（図１１）を通ってファイバ５５に戻る光は、レーザレーダーの信号経路を画成する。この光もまた直交偏光軸にある。ＬＯ経路及び信号経路の双方にある光は、偏光スプリッタ５７を通って戻って進み、第２のファイバ６２に沿ってアイソレータ６３を通って結合器１５まで、その後、光学的検出器２３まで向けられ、そこで、２つの経路からの光は混合されて、２つの経路間の距離差に比例するＲＦ信号を形成する。ＲＦ信号は、各レーザの同調率に対応する２つの周波数を含む。この配置では、出力ファイバの後方散乱光は、ＬＯビームに対して直交偏光状態にあり、コヒーレントに混合されず、それゆえ雑音信号を生成しない。

ここで主に図５Ｂを参照すると、システム４５０は別の代替的な実施形態を示す。この構成は、出力ファイバに沿って後方散乱される光によって生成された雑音の量を低減することによってシステムの感度を高めることができる偏光ディプレックススキームに基づいている。この配置では、各レーザからの光はアイソレータ１２を通過し、２×２偏光維持結合器４１で結合される。次いで、光は偏光スプリッタ５７まで進む。そこから、出力光はファイバ１７Ａを下って進んでファイバ出力部１９から出射する。ファイバ出力端部に角度が付けられて、光が後方反射されてファイバ１７Ａに戻らないようにする。全ての構成要素は偏光を維持しているため、光は、直線偏光にされてファイバ出力部１９から出射する。次いで光は、直線偏光にされた光を、円偏光、例えば、右円偏光にされた光に変換する４分の１波長板４６３（図１１）を通過する。部分反射体４６５（図１１）は、少量の光を反射して、４分の１波長板４６３（図１１）を通して出力ファイバ１９の直交偏光軸へと戻すことができる。この光は局部発振器（ＬＯ）としての機能を果たす。レンズ系２７を通過し、レンズ系２７から出射し、ターゲット２１で反射し、４分の１波長板４６３を通してファイバ１７Ａに戻る光の残部は、レーザレーダーの信号経路を画成できる。この光もまた直交偏光軸にある。ＬＯ経路及び信号経路の双方にある光は、偏光スプリッタ５７を通って戻って進み、光学的検出器２３に向かって進められ、そこで、２つの経路からの光は混合されて、２つの経路間の距離差に比例するＲＦ信号を形成する。ＲＦ信号は、各レーザの同調率に対応する２つの周波数を含み得る。この配置では、出力ファイバ１９において後方散乱光は、ＬＯビームに対して直交偏光状態にあり、コヒーレントに混合されず、それゆえ雑音信号を生成しない。

図５Ｂ及び図３を主に参照して、この配置の代替形態は、角度の付けられたファイバ／４分の１波長板／部分反射体のレンズ構成の配置を、図３のファイバの配置と使用する。この配置は、後方散乱光による雑音を回避でき、ならびに構成部品数を削減できる。部分反射体は、少量の光を反射して４分の１波長板４６３（図１１）を通して出力ファイバ１７の直交偏光軸へと戻すことができる。この光は局部発振器としての機能を果たす。レンズ系２７から出射し、ターゲット２１で反射し、４分の１波長板４６３（図１１）を通ってファイバ１７に戻る光は、レーザレーダーの信号経路を画成する。この光もまた直交偏光軸にある。レーザ光は、ＰＭファイバピッグテールレーザダイオードＬＤ１ １３及びＬＤ２ １１によって生成される。レーザＬＤ１ １３からの光は、ＬＤ２ １１の率とは異なる率で周波数が変調されている。各レーザからの光は、光ファイバの光アイソレータ１２を通過して、後方反射光がレーザの同調特性を損なわないようにする。各レーザからの光を３×３偏光維持結合器１５で結合する。次いで、光はファイバ１７を下って進んで、配置的に柔軟性を有した測定サイトまで達し得る。ファイバ１７の端部では、光はファイバから出射し、４分の１波長板４６３（図１１）を通過してから、部分反射体４６５（図１１）で部分的に反射される。反射光経路は各レーザレーダーの局部発振器（ＬＯ）経路となる。ファイバ１７から出射し、ターゲット２１で反射し、及びファイバ１７に戻る光は、レーザレーダーの信号経路を画成する。任意に、レンズ系２７を使用して、関心の測定領域に集光させて、光ファイバ１７に戻る光の量を最大にできる。レンズ系２７は、例えば、必要な光学的被写界深度に依存して固定焦点システム又は調整可能な焦点システムとし得る。さらに、任意に、レンズ系２７から出射後、光を走査ミラーによってターゲット２１の異なる部分に向けて、２Ｄ又は３Ｄ測定を行うことができる。

ここで図６を参照すると、複数の出力ビームを有することによる利益を享受し得るこの技術の応用を示す。システム２５０は、本開示の主要な概念に基づいた別の代替的な実施形態である。システム２５０では、２つのレーザの出力が一緒に２×２結合器６５で混合される。結合器６５の出力６７及び６９を、複数の出力チャネルをそれぞれ提供する結合器７１及び７３に供給する。この場合、１×３結合器７１及び７３を使用して５つの出力ビーム７５、７７、７９、８１、及び８５、及び参照アーム８３をもたらす。各出力チャネルは、レンズ系７５Ａ、７７Ａ、７９Ａ、８１Ａ、及び８３Ａに光を向ける１×２結合器と、ＬＯを生成するファイバ／ガラス境界面と、２つの信号周波数を検出する検出器とからなる。また、２×２結合器９１と、長さがオフセットされた２つのファイバ９３及び９５と、参照検出器９７とで構成されるＭｉｃｈａｅｌｓｏｎ参照アームが示されている。他の参照アーム、例えば、限定されないが、Ｍａｃｈ Ｚｅｈｎｄｅｒ構成の参照アームを使用することもできる。

ここで図７を参照すると、システム３００は、遅延線を使用して様々な出力信号を１つの検出器上で多重化し、それゆえレーダーのコストを削減しかつ複雑性を低減する配置を示す。この場合、レーザは２×２結合器１０１で結合される。結合器１０１の出力１０３は、参照アーム結合器１０５に供給される。この場合、参照アームを、例えば、Ｍｉｃｈａｅｌｓｏｎ構成で示すが、それに限定されない。出力１０７は２×２結合器１０９に向けられ、この２×２結合器１０９は、この出力を１×３結合器１１１及び１１３を経由して複数の出力ファイバに供給する。この場合、出力１１５を使用して、空気／ガラス境界面での反射によってＬＯを生成する。出力１１７、１１９、１２１、１２３、及び１２５は、様々な量のファイバ遅延（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、及びＤ５）のあるファイバである。これらのファイバの端部には角度が付けられて、あまり多くのＬＯが生成されないようにする。様々な遅延があるため、ターゲットで反射する光によって生成された信号は、検出器２３では異なる周波数で戻る。レーザは異なる率で同調されるため、レーザからの信号も周波数が別にされる。

ここで図８を参照すると、システム３５０は、マルチビーム概念の構成の代替的な実施形態を提示する。システム３５０は後方反射を最小にし、回路を平面光波回路で実施しやすいようにする。システム３５０では、光は２×１結合器２０１で結合されてから、２×１結合器２０３で分割され、ファイバ２０７は参照アームに至り、ファイバ２０５は信号アームに至る。ファイバ２０５をスプリッタ２×（ｎ＋１）２０９（ｎはビーム数である）に向ける。ファイバ２１１はＬＯ経路を有し、ファイバ２１３Ａ、２１３Ｂ・・・２１３ｎは、異なるファイバ長の出力ビームを有し、そのため、光検出器２３は、異なる遅延に依存して伝播し得る全ての信号を有する。

ここで図９を参照すると、システム４００は、別の代替的なマルチ出力の実施形態を提示する。システム４００では、レーザ光は、２つのＰＭファイバピッグテールレーザダイオード４０１及び４０３によって生成される。低速レーザとして示すレーザ４０１からの光は、ＰＭファイバの遅軸と位置合わせされる。高速レーザとして示すレーザ４０３からの光は、ＰＭファイバの速軸と位置合わせされる。システム４００では、レーザＬ１ ４０１及びＬ２ ４０３からの光は、それぞれアイソレータ４０５及び４０７を通過後、偏光スプリッタ４０９によって結合される。偏光スプリッタ４０９はファイバ４１１遅軸の光とファイバ４１３の速軸の光を、ファイバ４１５の対応する軸に結合する。レーザＬ１ ４０１及びＬ２ ４０３からの光は、１×２光ファイバ結合器４２１によってファイバ４１７及び４１９に分割されて、それらの直交偏光が回避される。次いで光は１×３結合器４２３及び４２５によって複数の出力に分割される。各出力チャネルは、ＬＯを生成するファイバ／ガラス境界面であるレンズ系２７に光を向けることができる１×２結合器と、各レーザによって生成された２つの信号を分離する偏光スプリッタ４２７と、信号の周波数を検出する検出器４２９とを含み得る。遅軸にあったレーザＬ１ ４０１からの光は、反射されて遅軸に戻され、速軸にあったレーザＬ２ ４０３からの光は、反射されて速軸に戻される。これらの反射光経路は各レーザレーダーの局部発振器（ＬＯ）経路になる。ファイバから出射し、ターゲットで反射し、かつファイバへと戻る光は、各レーザレーダーの信号経路を画成する。出力ファイバから出射すると、レーザＬ１ ４０１からの光は一方向に直線偏光され、レーザＬ２ ４０３からの光は、レーザＬ１ ４０１の光に対して直交する方向に直線偏光される。各レーザからの光は、ターゲットから反射されると、その元の軸においてファイバに再び入力されて戻る。ＬＯ経路及び信号経路の双方におけるレーザＬ１の光は、１×２結合器４３１及び偏光スプリッタ４２７を通って光学的検出器４２８まで戻り、そこで、２つの経路からの光は混合されて、２つの経路間の距離差に比例するＲＦ信号を形成する。同じような方法で、ＬＯ経路及び信号経路からのレーザＬ２の光はＬ２検出器４２９まで進む。２つのレーザからの光は常に直交偏光状態にあるため、それらは互いに干渉せず、２つの得られるレーザレーダー信号はそれら自体の検出器にのみ出現する。同様に、ファイバ４３７の長さがオフセットされた１×２結合器４３５と、２つの参照アーム信号を分離する偏光スプリッタ４３９と、２つの検出器とで構成されたＭａｃｈ Ｚｅｈｎｄｅｒ参照アームを示す。Ｍｉｃｈａｅｌｓｏｎ構成の参照アームも使用できた。一般にこの応用で使用された光源レーザは、出力波長の中心が１５５０ｎｍ付近（近赤外）のダイオードレーザである。この波長は人間の視覚では見えないため、第２の、可視レーザ周波数を光ファイバ回路に追加して、ＩＲ測定スポットと同じ箇所のターゲット上に可視スポットをもたらすことによってユーザを支援する。

ここで図１０を参照すると、ファイバピッグテール可視レーザダイオード４５１からの光は、波長ディプレックス結合器４５５によって出力ファイバ４５３に結合され得る。結合器４５５は、可視レーザダイオード４５１からの可視光と、偏光スプリッタ４５７からのＩＲ光とを出力ファイバ４５３に結合させる。

ここで図１１を参照すると、ファイバ出力部１９の端部に角度が付けられている。これは、空気とファイバのガラスとの間の境界面である。これに角度が付けられていない場合、ファイバに沿って戻る反射が生じる。これは、図５ＡのＬＯ経路が生成される方法である。光は、ファイバ１９から出射して４分の１波長板４６３に至り、その一部が部分反射体４６５で反射される。反射光の一部は４分の１波長板４６３を通って戻り、ファイバ１９に再入射する。これがＬＯ経路である。ここで光は、４分の１波長板４６３を二度通過するために直交偏光状態にある。４分の１波長板４６３は角度を付けられ、スプリアス反射がファイバに再入射しないようにしている。任意に、部分反射体４６５の側面４６５Ａにも角度を付け得るか又は反射防止被覆し得る。

それゆえ、上述の説明は本教示の原理の例示にすぎないと考慮されるべきである。さらに、当業者は多くの修正形態及び変更形態を容易に考えることができ、本教示を、図示及び説明した正確な構成及び動作に限定することは望ましくなく、従って、本教示の範囲内にある全ての好適な修正形態及び等価物を用いてもよい。

１１ ・・・第２のレーザ光源
１１Ａ・・・第２の光ビーム
１３ ・・・第１のレーザ光源
１３Ａ・・・第１の光ビーム
１７ ・・・結合光ビーム経路
１９ ・・・出力部
２０Ａ・・・測定装置
２１ ・・・ターゲット
４６１・・・局部発振器（ＬＯ）経路光ビーム
４６９・・・信号経路光ビーム

Claims (23)

1. 測定装置（２０Ａ）の出力部（１９）と物体（２１）との間の測定距離を決定する方法であって、
   第１のレーザ光源（１３）からの第１の周波数を有する第１の光ビーム（１３Ａ）と、第２のレーザ光源（１１）からの第２の周波数を有する第２の光ビーム（１１Ａ）とを生成するステップ；
   前記第２の周波数が第２の率でチャープダウンされるときに前記第１の周波数を第１の率でチャープアップするステップ；
   前記第１の周波数が前記第１の率でチャープダウンされるときに前記第２の周波数を前記第２の率でチャープアップするステップ；
   前記第１の光ビーム（１３Ａ）と前記第２の光ビーム（１１Ａ）を結合するステップ；
   前記結合光ビーム経路（１７）を前記物体（２１）の方に向けるステップ；
   前記結合光ビーム経路（１７）に関連する、反射された局部発振器（ＬＯ）経路光ビーム（４６１）を受光するステップ；
   前記結合光ビーム経路（１７）に関連する、ターゲットで反射した信号経路光ビーム（４６９）を受光するステップ；及び
   前記ＬＯ経路光ビーム（４６１）と前記ターゲットで反射した信号経路光ビーム（４６９）とのヘテロダインを行って、前記測定距離に比例する異なる２つのビート周波数を生成するステップであって、前記２つのビート周波数が単一の検出器（２３）によって検出されるステップ
   を含む方法。
2. 前記第１の光ビーム（１３Ａ）及び前記第２の光ビーム（１１Ａ）を偏光維持ファイバピッグテールレーザダイオードによって生成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 後方反射光が前記第１の光ビーム（１３Ａ）及び前記第２の光ビーム（１１Ａ）の同調特性を損なわないようにするステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記損なわないようにするステップが、
   前記結合光ビーム経路（１７）を光学的に分離するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記結合光ビーム経路（１７）を前記物体（２１）の測定領域に集光させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記集光ステップが、
   固定焦点システム及び調整可能な焦点システムからなる群から焦点調節手段を選択するステップを含む、請求項５に記載の方法。
7. 参照標準器（４１／４２）を使用して測定絶対距離を生成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記参照標準器（４１／４２）がＭｉｃｈａｅｌｓｏｎ構成の光ファイバ干渉計である、請求項７に記載の方法。
9. 角度の付けられたファイバ（１９Ａ）、４分の１波長板（４６３）、及び部分反射体（４６５）を使用することによって、後方散乱された光による雑音を回避するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 測定装置（２０Ａ）と物体（２１）との間の測定距離を決定するシステムであって、
    第１の波形（３２）及び第１の周波数を有する第１の光ビーム（１３Ａ）を生成する第１のレーザ光源（１３）；
    第２の周波数及び第２の波形（３６）を有する第２の光ビーム（１１Ａ）を生成する第２のレーザ光源（１１）であって、前記第２の周波数が第２の率でチャープダウンされるときに前記第１の周波数は第１の率でチャープアップされ、かつ前記第１の周波数が前記第１の率でチャープダウンされるときに前記第２の周波数は前記第２の率でチャープアップされる、第２のレーザ光源（１１）；
    前記第１の光ビーム（１３Ａ）と前記第２の光ビーム（１１Ａ）とを結合して結合光ビーム経路（１７）に入力させる光学素子（１５）であって、前記結合光ビーム経路（１７）からの戻り部分を第３の光ビーム（２４）に分割する光学素子（１５）；及び
    前記測定距離に比例する２つの異なるビート周波数を含む前記第３の光ビーム（２４）を受光する単一の検出器（２３）を含むシステム。
11. 前記第１の光ビーム（１３Ａ）及び前記第２の光ビーム（１１Ａ）を生成する偏光維持ファイバピッグテールレーザダイオードを更に含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記結合光ビーム経路（１７）を分離する光アイソレータ（１２）を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記結合光ビーム経路（１７）を前記物体（２１）の測定領域に集光させるレンズ系（２７）を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記レンズ系（２７）に、固定焦点システム及び調整可能な焦点システムからなる群から選択される焦点調節手段を更に含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 測定絶対距離を生成する参照標準器（４１／４２）を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記参照標準器（４１／４２）がＭｉｃｈａｅｌｓｏｎ構成の光ファイバ干渉計である、請求項１５に記載のシステム。
17. 角度の付けられたファイバ（１９Ａ）；
    ４分の１波長板（４６３）；及び
    部分反射体（４６５）
    を更に含み、前記角度の付けられたファイバ（１９Ａ），前記４分の１波長板（４６３）、及び前記部分反射体（４６５）を組み合わせることによって、後方散乱された光による雑音を回避する、請求項１０に記載のシステム。
18. 前記光学素子（１５）が、
    少なくとも１つの偏光維持結合器（４１）を含む、請求項１０に記載のシステム。
19. 少なくとも１つの偏光維持結合器（４１）からの入力を、反対方向に偏光された出力に分割する偏光スプリッタ（５７）を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
20. 複数の出力ビーム（７５、７７、７９、８１、８５）をもたらす複数の結合器（７１、７３）を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
21. ファイバ遅延（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３，Ｄ４、Ｄ５）を有する複数の出力ファイバ（１１７、１１９、１２１、１２３、１２５）を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
22. 前記物体（２１）上の前記測定領域において可視スポットをもたらす可視レーザ周波数を更に含む、請求項１３に記載のシステム。
23. 可視レーザダイオード（４５１）からの可視光と、偏光スプリッタ（４５７）からの赤外光とを出力ファイバ（４５３）に結合させる波長ディプレックス結合器（４５５）を更に含む、請求項１０に記載のシステム。

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