JP2014048162A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス光を用いて測定対象までの距離を高分解能かつ高速度で測定することが可能な距離測定装置を提供する。
【解決手段】本発明の距離測定装置１は、コヒーレントでありかつ一定の周期で繰り返す繰り返し周波数を掃引可能なパルス光を出射するパルス光源２と、パルス光源２から出射するパルス光を分岐するビームスプリッタ３と、分岐された一方のパルス光に遅延を付与する遅延光路４と、このパルス光を対象物１２に入射して対象物１２にて反射する反射パルス光とビームスプリッタ３にて分岐され反射パルス光と異なるパルス光とを合波するビームスプリッタ６と、得られた合波光を受光し、この合波光の干渉によるビート成分を検出する光検出器７と、光検出器７から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報に基づき対象物１までの距離を算出する演算装置８とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、距離測定装置に関し、特に詳しくは、パルス光を用いて測定対象までの距離を測定する距離測定装置に関するものである。

従来より、レーザ光を用いて対象物までの距離を測定する装置としては、パルス光を測定対象となる対象物に照射するレーザダイオード（光源）と、この対象物からの反射光を検出しパルス信号に変換するアバランシェホドダイオード（ＡＰＤ）と、このパルス光及び反射光を基に対象物までの距離を測定する距離測定手段とを備え、レーザダイオードがパルス光を出射してからアバランシェホドダイオード（ＡＰＤ）が対象物からの反射光を検出するまでの時間を測定することにより、対象物までの距離を測定する光波距離計が提案されている（特許文献１参照）。
また、光に限らず、電磁波を周波数変調して、出射波と対象物からの反射波のビートを検出し、このビート周波数により対象物までの距離を測定する装置も提案されている（特許文献２参照）。

特開平５−２３２２２９号公報 特開平７−１０３７１４号公報

ところで、従来のいずれの距離測定装置においても、サブミリメートルの距離分解能を得るためには、数百ＧＨｚの周波数帯域を有する処理回路が必要である。しかしながら、この様な処理回路は構成が複雑であり、しかも高額であることから、従来の距離測定装置に搭載することが難しく、したがって、従来の距離測定装置を用いて、対象物までの距離をサブミリメートルの距離分解能で測定することはできないという問題点があった。
また、周波数変調によって発生するビートを検出する装置では、距離分解能を高めるためには、ビート周波数の検出分解能を高めると共に、周波数変調における高速な周波数変化が求められることから、これらの点が高い距離分解能の実現を妨げる要因となっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、パルス光を用いて測定対象までの距離を高分解能かつ高速度で測定することが可能な距離測定装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、コヒーレントでありかつ一定の周期で繰り返す繰り返し周波数を掃引可能なパルス光を出射する光源と、当該光源から出射するパルス光を分岐する分岐手段と、分岐された２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光に遅延を付与する遅延手段と、前記２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光を対象物に入射して該対象物にて反射する反射パルス光と前記分岐手段にて分岐され前記反射パルス光と異なるパルス光とを合波する合波手段と、得られた合波光を受光し、この合波光の干渉によるビート成分を検出する検出手段と、該検出手段から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報に基づき前記対象物までの距離を算出する演算手段とを備えた構成とすれば、パルス光を用いて測定対象までの距離を高分解能かつ高速度で測定することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の距離測定装置は、コヒーレントでありかつ一定の周期で繰り返す繰り返し周波数を掃引可能なパルス光を出射する光源と、当該光源から出射するパルス光を分岐する分岐手段と、分岐された２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光に遅延を付与する遅延手段と、前記２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光を対象物に入射して該対象物にて反射する反射パルス光と前記分岐手段にて分岐され前記反射パルス光と異なるパルス光とを合波する合波手段と、得られた合波光を受光し、この合波光の干渉によるビート成分を検出する検出手段と、該検出手段から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報に基づき前記対象物までの距離を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする。

この距離測定装置では、分岐された前記２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光の周波数をシフトする周波数シフト手段を設け、前記検出手段の周波数帯域を、前記周波数シフト手段により前記周波数をシフトすることが可能な周波数の範囲を含むように設定したことが好ましい。
前記周波数シフト手段によりシフトする前記周波数の範囲を、１０ＭＨｚ以上かつ３００ＭＨｚ以下に設定したことが好ましい。
前記情報は、前記ビート成分が最大となったときの繰り返し周波数を含むことが好ましい。
前記情報は、前記検出手段から出力される前記ビート成分の内、前記周波数をシフトしたシフト周波数に、前記反射パルス光と前記反射パルス光となるパルス光以外のパルス光との繰り返し周波数差、または、前記繰り返し周波数差とその整数倍の繰り返し周波数差を加えた周波数成分を含むことが好ましい。

前記光源は、干渉型の光変調器の互いに干渉する各々の光の変調条件を調節することにより光周波数コムを発生する光周波数コム光源を含むことが好ましい。
前記光源が出射するパルス光のパルス幅は、１００フェムト秒以上かつ３ピコ秒以下であることが好ましい。
前記分岐手段及び前記遅延手段のパルス光の出射側に、これらから出射する２つのパルス光を合波する第２の合波手段と、得られた第２の合波光を受光する第２の検出手段とを設け、前記演算手段は、前記第２の検出手段から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報と、前記検出手段から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報とに基づき、前記対象物までの距離を算出することが好ましい。

本発明の距離測定装置によれば、コヒーレントでありかつ一定の周期で繰り返す繰り返し周波数を掃引可能なパルス光を出射する光源と、当該光源から出射するパルス光を分岐する分岐手段と、分岐された２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光に遅延を付与する遅延手段と、前記２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光を対象物に入射して該対象物にて反射する反射パルス光と前記分岐手段にて分岐され前記反射パルス光と異なるパルス光とを合波する合波手段と、得られた合波光を受光し、この合波光の干渉によるビート成分を検出する検出手段と、該検出手段から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報に基づき前記対象物までの距離を算出する演算手段とを備えたので、パルス光を用いることで、対象物までの距離をサブミリメートルの距離分解能で精度よくかつ安定して測定することができる。したがって、パルス光を用いて測定対象までの距離を、高分解能かつ高速度で測定することができる。
これにより、構成が簡単で、しかも高分解能かつ高速度な距離測定装置を実現することができる。

本発明の第１の実施形態の距離測定装置を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態の距離測定装置における測定レンジを拡張した場合の距離の求め方を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態の距離測定装置を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施形態の距離測定装置を示す概略構成図である。 本発明の第４の実施形態の距離測定装置を示す概略構成図である。

本発明の距離測定装置を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の距離測定装置を示す概略構成図であり、この距離測定装置１は、パルス光源２と、ビームスプリッタ（分岐手段）３と、遅延光路（遅延手段）４と、周波数シフタ（周波数シフト手段）５と、ビームスプリッタ（合波手段）６と、光検出器（検出手段）７と、演算装置（演算手段）８と、制御装置９と、可動ミラー（光路切替手段）１０と、基準ミラー１１とを備えている。なお、１２は距離を測定する対象となる対象物である。

パルス光源２は、コヒーレントでありかつ一定の周期で繰り返す繰り返しパルス光を出射するパルス光源、例えば、コヒーレントでありかつ繰り返し周波数が１０ＧＨｚ±０．１ＧＨｚの範囲で繰り返し可変な超短パルス光を繰り返し周波数掃引可能とする超短パルス光源が好適に用いられる。
このような超短パルス光源としては、キャビティの光学長が可変のモードロックレーザ、マッハツェンダ型光変調器の変調歪を用いた超短パルス光源（以下、単に「変調歪方式の超短パルス光源」と称する）が挙げられる。ここで、変調歪方式の超短パルス光源は、高い繰り返し周波数が得られ、繰り返し周波数が容易且つ安定に制御できる点で好ましい。

この変調歪方式の超短パルス光源は、干渉型の光変調器の互いに干渉する各々の光の変調条件を調節することにより光周波数コムを発生するもので、光周波数コム光源とも称されるものである。光周波数コムについては、既に、特許４７７１２１６号公報、特開２０１１−２２１３６６等で報告されているので、詳細な説明は省略する。

この変調歪方式の超短パルス光源は、マッハツェンダ型ＬＮ変調器の駆動条件を適切に選択することにより、平坦な光周波数コムを発生させ、さらに、この平坦な光周波数コムを分散補償することで数ピコ秒の超短パルスを発生させることができる。さらに、この数ピコ秒の超短パルスにパルス圧縮を行うことにより、さらに周波数の高いサブピコ秒の超短パルスを発生させることができる。
例えば、パルス圧縮を行わない場合には、２〜３ピコ秒（ｐｓ）程度のパルス幅の超短パルスを発生させることができる。さらに、超短パルスにパルス圧縮を行った場合には、１００〜３００フェムト秒（ｆｓ）程度のパルス幅の超短パルスを発生させることができる。

この変調歪方式の超短パルス光源においては、超短パルスの繰り返し周波数をＬＮ変調器の変調周波数で制御することにより、超短パルスの繰り返し周波数を安定かつ高分解能で、容易に制御することができる。
例えば、ベースとなる変調周波数（繰り返し周波数）が１０ＧＨｚのとき、０．１ＧＨｚの範囲で１０ｋＨｚの周波数分解能で掃引を行えば、測定距離範囲が１５ｍｍの場合に３μｍの分解能で距離検出が可能である。この場合、変調周波数を大きく変化させることが難しいので、遅延光路４を設けることにより、小さい変調周波数変化で十分な掃引ができる。
なお、空間光学系では、通常、パルス光源２は、コリメータレンズやビームエキスパンダ等を用いて適宜適切なビーム径の平行光束として用いられる。

ビームスプリッタ３は、パルス光源２から出射する繰り返しパルス光Ｌ_０を２つの繰り返しパルス光Ｌ_１、Ｌ_２に分岐するもので、伝搬中の偏光状態が保存される無偏光ビームスプリッタが好ましい。ビームスプリッタ３として偏光ビームスプリッタを用いた場合については後述する。
遅延光路４は、ビームスプリッタ３にて分岐された一方のパルス光Ｌ_１に、他方のパルス光Ｌ_２と比較して時間的な遅延を付与するもので、光路４ａ上に反射用のミラー４ｂが複数設けられた構成である。

周波数シフタ５は、ビームスプリッタ３、６間の光路上に設けられ、ビームスプリッタ３にて分岐された他方のパルス光Ｌ_２の周波数をシフトさせて周波数シフトされたパルス光Ｌ_２’とするもので、バルク型のＡＯ変調器、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上に光導波路が形成された導波路型光素子、光ファイバを用いた方向性結合器型光素子等が好適に用いられる。

この周波数シフタ５では、シフトする周波数の範囲が周波数シフタ５によるシフト周波数を中心とした狭い範囲内に設定されている。
例えば、このシフト周波数の中心周波数は、パルス光源２の繰り返し周波数０．５〜１００ＧＨｚや周波数を掃引する周波数１〜１０００ｋＨｚと分離することができ、かつ周波数シフタ５が入手し易いやすい１０ＭＨｚ以上かつ３００ＭＨｚ以下の範囲となるように設定されている。

ビームスプリッタ６は、遅延光路４を通過するパルス光Ｌ_１を透過させて対象物１２に入射させ、この対象物１２にて反射する反射パルス光Ｌ_１’と周波数シフトパルス光Ｌ_２’とを合波するもので、伝搬中の偏光状態が保存される無偏光ビームスプリッタが好ましい。
なお、ビームスプリッタ３、６として偏光ビームスプリッタを用いた場合、ビームスプリッタ３で反射した繰り返しパルス光Ｌ_１がビームスプリッタ６で透過するように遅延光路４中に１／２波長板を配置した構成を取ることができる。

なお、このように配置した場合、ビームスプリッタ６を透過して対象物１２へ向かったパルス光Ｌ_１が、対象物１２で反射して反射パルス光Ｌ_１’となった後にビームスプリッタ６で反射するように、このビームスプリッタ６から対象物１２までの光路中に１／４波長板を設置するとよい。

光検出器７は、合波された反射パルス光Ｌ_１’及び周波数シフトパルス光Ｌ_２’から合波光の干渉によるビート成分を検出するもので、例えば、アバランシェホドダイオード（ＡＰＤ）等が好適に用いられる。この光検出器７では、その周波数帯域を、周波数シフタ５により周波数をシフトすることが可能な周波数の範囲を含むように設定することが好ましい。

演算装置８は、光検出器７から出力される合波光の干渉によるビート成分に基づき、このビート成分が最大となったときに得られる情報を基に対象物１２までの距離を算出する。
上記の情報としては、次の（１）、（２）のいずれか一方、あるいは双方を含むのが好ましい。
（１）ビート成分が最大となったときの繰り返し周波数（すなわち、変調周波数）。
（２）光検出器７から出力されるビート成分の内、反射パルス光Ｌ_１’と、ビームスプリッタ３にて分岐された反射パルス光Ｌ_１’と異なる繰り返しパルス光（ここでは、周波数シフトパルス光Ｌ_２’）との繰り返し周波数差の周波数成分を含む情報、または、この繰り返し周波数差とその整数倍の周波数成分を含む情報。
制御装置９は、パルス光源２及び演算装置８各々の動作を制御する。

可動ミラー１０は、ビームスプリッタ６と対象物１２との間の光軸とは異なる一つの軸を回転軸として回転することにより、この光軸を伝搬するパルス光が対象物１２あるいは基準ミラー１１のいずれかに入射するように切り替える。なお、ここでは光路切替手段として可動ミラー１０を用いたが、可動ミラー１０の替わりにＡＯ変調器や液晶等を用いた光スイッチ素子を光路切換手段としてもよい。
基準ミラー１１は、コーナーリフレクタ等により構成されており、距離計測の基準面となる。

この距離測定装置１では、ビームスプリッタ６の対象物１２側に可動ミラー１０を配置し、基準面となる基準ミラー１１までの距離（遅延量）を測定し、この距離（遅延量）を対象物１２までの距離から差し引くことにより、この基準ミラー１１の位置を基準として、対象物１２までの距離を正確に求めることができる。
また、ビームスプリッタ６と対象物１２との間の光路上にパルス光Ｌ_１を２次元状にて走査する走査光学系を配置することにより、対象物１２の三次元における形状測定を行うことができる。

なお、図１では、ビームスプリッタ６の対象物１２側に可動ミラー１０と基準ミラー１１とを配置する構成としたが、可動ミラー１０を配置せず、この基準ミラー１１を移動させることにより、ビームスプリッタ６と対象物１２との間の光路に挿入したり、あるいは取り出したり等してもよい。

次に、この距離測定装置１の動作について説明する。
まず、パルス光源２により、繰り返し周波数が１０ＧＨｚ±０．１ＧＨｚの範囲内の所望の値に設定された繰り返しパルス光Ｌ_０を出射する。
ビームスプリッタ３では、この繰り返しパルス光Ｌ_０を反射／透過により２つの繰り返しパルス光Ｌ_１、Ｌ_２に分岐し、反射した一方のパルス光Ｌ_１（物体光）を遅延光路４に入射し、透過した他方のパルス光Ｌ_２（参照光）を周波数シフタ５に入射する。

パルス光Ｌ_１（物体光）は、遅延光路４を通過する間に遅延距離Ｄだけ遅延が付与され、次いで、ビームスプリッタ６を透過し、対象物１２に入射する。対象物１２に入射したパルス光Ｌ_１は、この対象物１２にて反射されることで反射パルス光Ｌ_１’となり、この反射パルス光Ｌ_１’はビームスプリッタ６にて反射され、光検出器７に入射する。
一方、パルス光Ｌ_２（参照光）は、周波数シフタ５にて周波数が所定の周波数、例えば５０ＭＨｚシフトされた周波数シフトパルス光Ｌ_２’となり、この周波数シフトパルス光Ｌ_２’はビームスプリッタ６を透過し、光検出器７に入射する。

ここでは、パルス光源２からビームスプリッタ３までの光路と、ビームスプリッタ６から光検出器７までの光路とは、パルス光Ｌ_１（物体光）とパルス光Ｌ_２（参照光）とで共通であるから、この共通の光路長をＤｃ、遅延光路４による光路長差をＤｄ、ビームスプリッタ６から対象物１２までの光路長をＤｔとすると、パルス光Ｌ_１（物体光）とパルス光Ｌ_２（参照光）との光路長差Ｄａ（＝Ｄｄ＋２Ｄｔ）は次の式（１）にて表される。

式（１）中、Ｎａは、ある瞬間に光路長差Ｄａの内に含まれるパルス数、θａはパルス光Ｌ_２（参照光）のパルス列とパルス光Ｌ_１（物体光）のパルス列の１周期に満たない位相差成分、ｃは光速、ｆ_１は繰り返し周波数である。

このとき、ｆ≧ｆ_１において、Ｎａが変化せず、かつ、θａ≒０となる繰り返し周波数ｆが存在する。
θａ≒０の場合、光検出器７には、パルス光Ｌ_１（物体光）とパルス光Ｌ_２（参照光）とがほぼ同時に入射し、これらのビート周波数（周波数シフタでシフトした周波数）の出力が観測され、θa＝０の時にビート成分が最大となる。

ここで、Ｎａが光学系の設計上既知であれば、Ｄａを求めることができ、さらに、この光路の中で、測定の基準となる位置が既知であれば、対象物１２までの距離を求めることができる。
したがって、繰り返し周波数ｆを掃引し、ビートが観察される繰り返し周波数を求めることにより、基準点から対象物１２までの距離を求めることができる。
なお、測定の基準となる位置と測定光学系の相対位置や、遅延光路の光路長が温度変動等により求められる精度に比較して無視できない変動を持つ場合には、上述のように基準位置に設定された基準ミラー１１を用いて、対象物の測定距離と基準位置の測定距離を差し引くことにより、精度の高い測定を行うことができる。

ビートが観察されるのは、パルス光Ｌ_１とパルス光Ｌ_２が重なったタイミングだけであるから、例えば、パルス光のパルス幅が１ｐｓの場合、光速を３×１０^８ｍ／秒とすれば、３×１０^−４ｍ以内にタイミングがあった場合のみである。したがって、ビート信号が最大となるタイミングは、更に１桁から２桁狭い範囲で求められ、１０^−６ｍ程度の分解能を得ることができる。この分解能は、従来の周波数変調によって発生するビートを検出する方式と異なり、繰り返し周波数の掃引速度に影響されないので、高分解能の距離検出が実現できる。
この場合、繰り返し周波数の掃引を、パルス光Ｌ_１とパルス光Ｌ_２のタイミングのズレが３×１０^−４ｍ程度のステップで変化するように、ステップ上に行い、ビートが観察される繰り返し周波数が見つかったら、その近傍で繰り返し周波数を変化させるステップを細かくして、最大のビート成分が得られる繰り返し周波数を求めるのが好適である。

このときの掃引の範囲、すなわち、繰り返し周波数の下限ｆ_１に対する繰り返し周波数の上限ｆ_２は、パルス光のタイミングが1つ分ずれるまでで設定すればよく、次の式（２）から求められる。

一方、上記の式（１）において、ｆの変化量に対するθの変化量は次の式（３）にて表される。

この式（３）によれば、ｆの変化量に対するθの変化量は、Ｄａ、すなわちＮａが大きいほど大きくなることが分かる。

したがって、繰り返し周波数の小さい変化で十分な範囲を検出しようとする場合には、Ｄａを大きく取るために、遅延光路４の光学距離を検出距離範囲よりも十分長い距離に設定することが好ましい。
例えば、ｆ_１＝１０ＧＨｚとすると、空気中のパルス間隔（距離）は３０ｍｍであり、この時、遅延光路４の光学距離を３ｍと設定することにより、測定対象が極至近の距離にあったとしても、光路長差に含まれるパルス数（Ｎａ）は１００となる。この時、繰り返し周波数を＋１００ＭＨｚ変化させ、ｆ_２＝１０．１ＧＨｚとすると、光路長差に含まれるパルス数は１０１となり、パルス光Ｌ_１とパルス光Ｌ_２の間でパルス１周期分（３０ｍｍ）のずれを発生させる掃引を行うことができ、この３０ｍｍの範囲の距離測定を行うことができる。

ここで、例えばパルス幅が数ｐｓとして、パルス光Ｌ_１とパルス光Ｌ_２のタイミングが１ｐｓ（３×１０^−４ｍ）ずつステップ状にずれるようにするには、１００ＭＨｚ×(３×１０^−４ｍ／３０ｍｍ)＝１ＭＨｚにより、１ＭＨｚステップで繰り返し周波数を変化させていけば良い。また、各ステップにおいては、同じ繰り返し周波数のパルス列が光検出器７に到達する時間（ここでは光路長差３ｍから１０^−８秒）の測定待ち時間とパルスの繰り返し時間（ここでは繰り返し周波数１０ＧＨｚにより１０^−１０秒）に相当する測定時間が測定に際して最低限必要である。

ここで、上記の式（１）から測定距離を求める手順について説明する。
上記パルス１周期分のずれを発生させる繰り返し周波数掃引によって測定を行う場合の測定対象の距離をＤｍとすると、この測定対象距離Ｄｍと、全光路長差Ｄａと、遅延光路４による光路長差Ｄｄとの間には、
Ｄａ＝２×Ｄｍ＋Ｄｄ
の関係が成り立つ。そこで、測定可能範囲の全光路長差Ｄａの最大値をＤａ_ｍａｘ、最少値をＤａ_ｍｉｎとし、これを、一定パルス数Ｎａで繰り返し周波数Ｆの最少値Ｆ_ｍｉｎから最大値Ｆ_ｍａｘまで掃引するものとすると、パルス数Ｎａとは、次の式（４）の関係が成り立つ。

したがって、この式（４）から、繰り返し周波数Ｆの最大値Ｆ_ｍａｘと最少値Ｆ_ｍｉｎとの関係は次の式（５）で表されることとなる。

この式（４）により、繰り返し周波数Ｆは、最少値Ｆ_ｍｉｎから最大値Ｆ_ｍａｘまでの範囲で掃引すればよいことが分かる。

このときのパルス数Ｎａは固定されているので、実際の測定においては、繰り返し周波数Ｆでビートが検出されたとすると、このときの全光路長差Ｄａは、次の式（６）で表される。

したがって、測定対象の距離Ｄｍｍは、光路長差Ｄａと遅延光路４による光路長差Ｄｄを用いて、次の式（７）で表される。

例えば、測定距離Ｄｍの最大値を、繰り返し周波数１０ＧＨｚにおけるパルス間隔の半分の１５ｍｍ、測定距離Ｄｍの最小値を０ｍｍ、遅延光路４による光路長差Ｄｄを３．００ｍとすると、光路長差Ｄａの最大値Ｄａ_ｍａｘは３．０３ｍ、最少値Ｄａ_ｍｉｎは３．００ｍとなる。ここで、パルス間隔がこの測定範囲をカバーできるように、繰り返し周波数の最大値を１０．０ＧＨｚと設定し、式（５）により繰り返し周波数の最小値を求め、周波数Ｆの最少値Ｆ_ｍｉｎ（＝９．９０１ＧＨｚ）から最大値Ｆ_ｍａｘ（＝１０．０ＧＨｚ）まで掃引して９．９５ＧＨｚにてビート信号が検出された場合、光路長差Ｄａは、
Ｄａ＝３．０３×９．９０１／９．９５＝３．００×１０．０／９．９５＝３．０１５０８ｍ
となる。したがって、測定対象の距離Ｄｍｍは、
Ｄｍｍ＝（３．０１５０８−３．０００）／２＝０．００７５３９ｍ
となる。

なお、必ずしもパルス１周期分のみのずれの範囲で測定を行わなければならないわけではなく、繰り返し周波数掃引により、パルス１周期分を超えるずれ（遅延）が生じる範囲の距離検出を行うことも可能である。その場合には、繰り返し周波数の掃引にともなって、ビート信号の極大が複数回観測される。光路長差は、極大の都度繰り返し周波数を記録し、その繰り返し周波数から、（１）式を連立させた連立方程式によりそれぞれの繰り返し周波数におけるパルス数Ｎａ、Ｄａを求めることができる。例えば、繰り返し周波数ｆａの時にビート信号が極大となった場合、（１）式は、Ｄａ＝Ｎａ（ｃ／ｆａ）、次に、繰り返し周波数ｆｂの時にビート信号が極大となった場合、（１）式は、Ｄａ＝（Ｎａ−１）（ｃ／ｆｂ）となるので、これらの連立方程式により、未知数Ｄａ、ｆａを確定することができる。

２種類の繰り返し周波数をベースに用いて逐次上記のパルス１周期分の繰り返し周波数掃引測定をすることにより、測定範囲を拡張することもできる。
例えば、繰り返し周波数ＦがＦ_１及びＦ_２の２種類の繰り返し周波数を用いて、Ｆ_１ａ、Ｆ_２ａでそれぞれビート成分最大を得た場合、Ｄａ＝Ｎａ_１（ｃ／Ｆ_１ａ）、Ｄａ＝Ｎａ_２（ｃ／Ｆ_２ａ）の連立方程式から、Ｎａ＝Ｎａ_１＝Ｎａ_２の場合にＤａ、Ｎａを確定することができる。このようにＮａ_１、Ｎａ_２が等しくなる条件は、Ｆ_１ａ＜Ｆ_２ａであれば、Ｄａ≦ｃ／（Ｆ_２ａ−Ｆ_１ａ）であり、この範囲の測定レンジを得ることができる。

ここで、上記のように繰り返し周波数がＦ_１及びＦ_２の２種類の繰り返し周波数を用いて測定レンジを拡張した場合の距離の求め方について、さらに図２に基づき説明する。
パルス光源２としては、繰り返し周波数がＦ_１及びＦ_２の２種類の繰り返し周波数を複数のパルス光源を用いて逐次出射させることのできるアレイ型パルス光源、または、繰り返し周波数がＦ_１及びＦ_２の２種類の繰り返し周波数を１つのパルス光源から逐次出射させることのできる周波数可変型のパルス光源が好適に用いられる。

２つの繰り返し周波数（パルス間隔）Ｆ_１及びＦ_２を用いたばあい、２つの繰り返し周波数Ｆ_１及びＦ_２のパルスタイミング（パルス位置）が最初に一致してから、次に一致するまでの期間における双方の測定値から距離を特定することが可能である。
ここで、繰り返し周波数Ｆ_１の単体での測定最大距離（掃引範囲）Ｌ_１はＬ_１＝ｃ／Ｆ_１で表され、繰り返し周波数Ｆ_２の単体での測定最大距離（掃引範囲）Ｌ_２はＬ_２＝ｃ／Ｆ_２で表される。このとき、測定可能範囲は、パルス数の差が１以下の範囲であり、Ｆ_１＜Ｆ_２とすると、Ｌ_１×Ｌ_２／（Ｌ_１−Ｌ_２）で表される。

ここで、繰り返し周波数Ｆ_１では、Ｐ_１という測定距離が得られ、繰り返し周波数Ｆ_２ではＰ_２という測定距離が得られたとすると、実際の距離Ｌは、
Ｌ＝Ｐ_１＋Ｌ_１×（Ｐ_２−Ｐ_１）／（Ｌ_１−Ｌ_２）
＝Ｐ_２＋Ｌ_２×（Ｐ_２−Ｐ_１）／（Ｌ_１−Ｌ_２）
となる。

次に、掃引速度が対象物１２までの距離（光束の伝搬時間）と比較して速い場合には、干渉するパルス光Ｌ_１（物体光）とパルス光Ｌ_２（参照光）との間に繰り返し周波数差が生じる。そのため、ビート信号は、周波数シフタの周波数に繰り返し周波数差を加えた周波数成分を持つことになる。
したがって、ビート信号から得られる上記の繰り返し周波数差と掃引速度から、パルス光Ｌ_１（物体光）とパルス光Ｌ_２（参照光）との伝搬時間の差を求めることができ、この伝搬時間の差を基に実際の距離を求めることができる。例えば、繰り返し周波数差がΔｆｒ（Ｈｚ）、掃引速度がΔｆｓ（Ｈｚ／秒）とすれば、物体光と参照光の時間差は、Δｆｒ／Δｆｓで表され、これと光速により、対象物の距離が求められる。

また、パルス光Ｌ_２（参照光）及びパルス光Ｌ_１（物体光）それぞれの光の周波数成分が、基本周波数に対して繰り返し周波数の整数倍ずれた成分を有するので、ビート成分には、周波数シフタ５によりシフトされた周波数に、繰り返し周波数差の整数倍の周波数を加えた成分の信号が加わる。
これらの成分は、それぞれ、対応するパルス光の周波数成分の位相情報を含んでおり、その位相情報は周波数解析により求めることができる。この位相情報は、パルス光Ｌ_１（物体光）とパルス光Ｌ_２（参照光）の伝搬距離の差によるものであるから、パルス光の周波数差に比例する。したがって、ビート信号の周波数成分とその位相情報とに基づき、対象物１２までの距離を求めることができる。

ただし、このように、繰り返し周波数差と掃引速度に基づいて距離を求める場合には、掃引速度が遅い場合や物体光と参照光の距離差が小さい場合に、繰り返し周波数差が小さくなり、測定分解能が低くなる。このような場合は、まず、繰り返し周波数差と掃引速度に基づいて概ねの距離を求め、その距離に対応する繰り返し周波数の近傍で、低速で繰り返し周波数を掃引することにより、周波数シフタによるビート信号成分が最大になる繰り返し周波数を求め、この繰り返し周波数から、式（６）に基づいて精度よく対象物の距離を求めることができる。

以上説明したように、本実施形態の距離測定装置１によれば、パルス光源２と、ビームスプリッタ３と、遅延光路４と、周波数シフタ５と、ビームスプリッタ６と、光検出器７と、演算装置８と、制御装置９と、可動ミラー１０と、基準ミラー１１とを備えたので、対象物までの距離を精度よくかつ安定して測定することができる。したがって、超短パルス光を用いて測定対象までの距離を、高分解能かつ高速度で測定することができる。

パルス光源２として変調歪方式の超短パルス光源を用いることにより、数ピコ秒の超短パルスを容易に得ることができ、対象物までの距離をサブミリメートルの距離分解能で精度よくかつ安定して測定することができる。この超短パルスは、繰り返し周波数が高度に安定しており、精度の高い距離測定を実現することができる。
以上により、構成が簡単で、しかも高分解能かつ高速度な距離測定装置を実現することができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態の距離測定装置を示す概略構成図であり、この距離測定装置２１が第１の実施形態の距離測定装置１と異なる点は、第１の実施形態の距離測定装置１が、分岐された一方のパルス光Ｌ_１（物体光）に遅延を付与する遅延光路４を設ける一方、他方のパルス光Ｌ_２（参照光）の周波数をシフトさせる周波数シフタ５を設けたのに対し、本実施形態の距離測定装置２１が、分岐された他方のパルス光Ｌ_２（参照光）に遅延を付与する遅延光路４を設け、さらに、このパルス光Ｌ_２（参照光）の周波数をシフトさせる周波数シフタ５を設けた点である。

この距離測定装置２１では、まず、パルス光源２により、繰り返し周波数が１０ＧＨｚ±０．１ＧＨｚの範囲内の所望の値に設定された繰り返しパルス光Ｌ_０を出射する。
ビームスプリッタ３では、この繰り返しパルス光Ｌ_０を反射／透過により２つの繰り返しパルス光Ｌ_１、Ｌ_２に分岐する。

分岐した一方のパルス光Ｌ_１（物体光）は、ビームスプリッタ６を透過し、対象物１２にて反射されることで反射パルス光Ｌ_１’となり、この反射パルス光Ｌ_１’はビームスプリッタ６にて反射され、光検出器７に入射する。
一方、分岐した他方のパルス光Ｌ_２（参照光）は、遅延光路４を通過する間に遅延が付与され、次いで、周波数シフタ５にて周波数が所定の周波数、例えば５０ＭＨｚシフトされたパルス光Ｌ_２’となり、このパルス光Ｌ_２’はビームスプリッタ６を透過し、光検出器７に入射する。

光検出器７では、反射パルス光Ｌ_１’及び周波数シフトパルス光Ｌ_２’から合波光の干渉によるビート成分を検出し、演算装置８では、光検出器７から出力されるビート成分に基づき、このビート成分が最大となったときに得られる情報を基に対象物１２までの距離を算出する。なお、周波数シフタは、全ての実施形態において、参照光の光路に配置することも、物体光の光路に配置することも、いずれも可能である。

本実施形態の距離測定装置２１においても、第１の実施形態の距離測定装置１と同様の作用、効果を奏することができる。
しかも、パルス光Ｌ_２（参照光）に、遅延光路４により遅延を付与することにより、対象物１２までの最大距離が、遅延光路４と比べて短く、光路長差Ｄａの正負が対象物１２の距離によって逆転する可能性が無い場合においては、参照光と物体光の距離差を比較的小さく抑えることができ、物体光と参照光との可干渉性が向上する。その結果、干渉による検出光の変調度が高くなることにより、ビート振幅のピークを高精度に検出できるようになり、対象物までの距離をサブミリメートルの距離分解能でより精度よくかつ安定して測定することができる。したがって、超短パルス光を用いて測定対象までの距離を、高分解能かつ高速度で測定することができる。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態の距離測定装置を示す概略構成図であり、この距離測定装置３１は、光導波路を光ファイバに替えた点が第１の実施形態の距離測定装置１と異なる点である。

この距離測定装置３１は、パルス光源２と、分岐カプラ（分岐手段）３２と、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）を用いた遅延光路（遅延手段）３３と、光導波路型周波数シフタ（周波数シフト手段）３４と、サーキュレータ３５と、合波カプラ（合波手段）３６と、光検出器（検出手段）７と、演算装置（演算手段）８と、制御装置９と、光スイッチ（光路切替手段）３７と、光ファイバの端面を反射面とした光ファイバ３８と、コリメータレンズ３９とを備えている。

遅延光路３３は、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）を用いたもので、分岐カプラ３２にて分岐された一方のパルス光Ｌ_１に遅延距離Ｄを付与するものである。
光導波路型周波数シフタ３４は、分岐カプラ３２と合波カプラ３６との間の偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）に設けられ、分岐カプラ３２にて分岐された他方のパルス光Ｌ_２の周波数をシフトさせて周波数シフトされたパルス光Ｌ_２’とするもので、バルク型のＡＯ変調器、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上に光導波路が形成された導波路型光素子等が好適に用いられる。

ここでは、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）と光導波路型周波数シフタ３４（例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上に光導波路が形成された導波路型光素子）を透過させた後に、再度偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）にカップリングしているが、コリメータレンズを用いて、バルク型のＡＯ変調器等のバルク型の周波数シフタを用いても良い。

この距離測定装置３１では、まず、パルス光源２により、繰り返し周波数が１０ＧＨｚ±０．１ＧＨｚの範囲内の所望の値に設定された繰り返しパルス光Ｌ_０を出射する。
分岐カプラ３２では、この繰り返しパルス光Ｌ_０を２つの繰り返しパルス光Ｌ_１、Ｌ_２に分岐する。ここで、分岐された一方のパルス光Ｌ_１（物体光）は、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）を用いた遅延光路３３に入射し、他方のパルス光Ｌ_２（参照光）は、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）を経て光導波路型周波数シフタ３４に入射する。

パルス光Ｌ_１（物体光）は、遅延光路３３を通過する間に遅延距離Ｄだけ遅延が付与され、次いで、サーキュレータ３５、光スイッチ３７、コリメータレンズ３９を順次透過し、対象物１２に入射する。対象物１２に入射したパルス光Ｌ_１は、この対象物１２にて反射されることで反射パルス光Ｌ_１’となり、この反射パルス光Ｌ_１’は、コリメータレンズ３９、光スイッチ３７を順次透過する。
一方、パルス光Ｌ_２（参照光）は、光導波路型周波数シフタ３４にて周波数が所定の周波数、例えば５０ＭＨｚシフトされた周波数シフトパルス光Ｌ_２’となり、この周波数シフトパルス光Ｌ_２’は、合波カプラ３６にて反射パルス光Ｌ_１’と合波され、光検出器７に入射する。

光検出器７では、合波された反射パルス光Ｌ_１’及び周波数シフトパルス光Ｌ_２’から合波光の干渉によるビート成分を検出し、演算装置８では、光検出器７から出力されるビート成分に基づき、このビート成分が最大となったときに得られる情報を基に対象物１２までの距離を算出する。

本実施形態の距離測定装置３１においても、第１の実施形態の距離測定装置１と同様の作用、効果を奏することができる。
しかも、遅延光路３３に光ファイバを用いたので、狭い空間内においても遅延距離を長く取ることができ、したがって、狭い繰り返し周波数掃引範囲においても、十分な検出範囲を高い距離分解能で精度よくかつ安定して測定することができる。

［第４の実施形態］
図５は、本発明の第４の実施形態の距離測定装置を示す概略構成図であり、この距離測定装置４１は、光検出器（検出手段）を、基準面までの距離を測定する基準用の光検出器と、対象物までの距離を測定する対象物用の光検出器とにより構成した点が第３の実施形態の距離測定装置３１と異なる点である。

この距離測定装置４１は、パルス光源２と、分岐カプラ（分岐手段）３２と、光ファイバを用いた遅延光路（遅延手段）３３と、光導波路型周波数シフタ（周波数シフト手段）３４と、分岐カプラ（分岐手段）４２、４３と、サーキュレータ３５と、合波カプラ（合波手段）３６、４４と、基準用の光検出器４５と、対象物用の光検出器４６と、演算装置（演算手段）８と、制御装置９と、コリメータレンズ３９とを備えている。

この距離測定装置４１では、まず、パルス光源２により、繰り返し周波数が１０ＧＨｚ±０．１ＧＨｚの範囲内の所望の値に設定された繰り返しパルス光Ｌ_０を出射する。
分岐カプラ３２では、この繰り返しパルス光Ｌ_０を２つのパルス光Ｌ_１、Ｌ_２に分岐する。ここで、分岐された一方のパルス光Ｌ_１（物体光）は、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）を用いた遅延光路３３に入射し、他方のパルス光Ｌ_２（参照光）は、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）を経て光導波路型周波数シフタ３４に入射する。

パルス光Ｌ_１（物体光）は、遅延光路３３を通過する間に遅延距離Ｄだけ遅延が付与され、分岐カプラ４２にてパルス光Ｌ_１１とパルス光Ｌ_１２とに分岐される。
一方、パルス光Ｌ_２（参照光）は、光導波路型周波数シフタ３４にて周波数が所定の周波数、例えば５０ＭＨｚシフトされた周波数シフトパルス光Ｌ_２’となり、この周波数シフトパルス光Ｌ_２’は、分岐カプラ４３にてパルス光Ｌ_２１とパルス光Ｌ_２２とに分岐される。

このようにして分岐されたパルス光Ｌ_１１とパルス光Ｌ_２１とは、合波カプラ４４にて合波され、この合波されたパルス光は、基準用の光検出器４５に入射する。
また、分岐されたパルス光Ｌ_１２は、サーキュレータ３５、コリメータレンズ３９を順次透過し、対象物１２に入射する。対象物１２に入射したパルス光Ｌ_１２は、この対象物１２にて反射されることで反射パルス光Ｌ_１２’となり、この反射パルス光Ｌ_１２’は、コリメータレンズ３９を透過し、合波カプラ３６にてパルス光Ｌ_２２と合波され、この合波されたパルス光は、対象物用の光検出器４６に入射する。

光検出器４５では、パルス光Ｌ_１１とパルス光Ｌ_２１とから合波光の干渉による基準面までの距離を測定するための基準となるビート成分を検出し、基準面までの測定データとして出力する。
一方、光検出器４６では、反射パルス光Ｌ_１２’とパルス光Ｌ_２２とから合波光の干渉による対象物までの距離を測定するための測定用のビート成分を検出し、対象物の測定データとして出力する。
演算装置８では、光検出器４５から出力される基準面までの測定データと、光検出器４６から出力される対象物の測定データとの差を対象物１２までの距離として算出する。

本実施形態の距離測定装置４１においても、第３の実施形態の距離測定装置３１と同様の作用、効果を奏することができる。
しかも、光検出器を、基準用の光検出器４５と、対象物用の光検出器４６とにより構成したので、超短パルス光を用いて基準面から測定対象までの距離を、高分解能かつ高速度で測定することができる。

１ 距離測定装置
２ パルス光源
３ ビームスプリッタ（分岐手段）
４ 遅延光路（遅延手段）
５ 周波数シフタ（周波数シフト手段）
６ ビームスプリッタ（合波手段）
７ 光検出器（検出手段）
８ 演算装置（演算手段）
９ 制御装置
１０ 可動ミラー（光路切替手段）
１１ 基準ミラー
１２ 対象物
２１ 距離測定装置
３１ 距離測定装置
３２ 分岐カプラ（分岐手段）
３３ 遅延光路（遅延手段）
３４ 光導波路型周波数シフタ（周波数シフト手段）
３５ サーキュレータ
３６ 合波カプラ（合波手段）
３７ 光スイッチ（光路切替手段）
３８ 光ファイバ
３９ コリメータレンズ
４１ 距離測定装置
４２、４３ 分岐カプラ（分岐手段）
４４ 合波カプラ（合波手段）
４５ 基準用の光検出器（検出手段）
４６ 対象物用の光検出器（検出手段）
Ｌ_０、Ｌ_１、Ｌ_２ 繰り返しパルス光
Ｌ_１’ 反射パルス光
Ｌ_２’ 周波数シフトパルス光
Ｌ_１１、Ｌ_１２、Ｌ_２１、Ｌ_２２ パルス光
Ｌ_１１’、Ｌ_１２’ 合波されたパルス光

Claims (8)

1. コヒーレントでありかつ一定の周期で繰り返す繰り返し周波数を掃引可能なパルス光を出射する光源と、当該光源から出射するパルス光を分岐する分岐手段と、分岐された２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光に遅延を付与する遅延手段と、前記２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光を対象物に入射して該対象物にて反射する反射パルス光と前記分岐手段にて分岐され前記反射パルス光と異なるパルス光とを合波する合波手段と、得られた合波光を受光し、この合波光の干渉によるビート成分を検出する検出手段と、該検出手段から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報に基づき前記対象物までの距離を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする距離測定装置。
2. 分岐された前記２つのパルス光のうちいずれか一方のパルス光の周波数をシフトする周波数シフト手段を設け、
   前記検出手段の周波数帯域を、前記周波数シフト手段により前記周波数をシフトすることが可能な周波数の範囲を含むように設定したことを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
3. 前記周波数シフト手段によりシフトする前記周波数の範囲を、１０ＭＨｚ以上かつ３００ＭＨｚ以下に設定したことを特徴とする請求項２記載の距離測定装置。
4. 前記情報は、前記ビート成分が最大となったときの繰り返し周波数を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の距離測定装置。
5. 前記情報は、前記検出手段から出力される前記ビート成分の内、前記周波数をシフトしたシフト周波数に、前記反射パルス光と前記反射パルス光となるパルス光以外のパルス光との繰り返し周波数差、または、前記繰り返し周波数差とその整数倍の繰り返し周波数差を加えた周波数成分を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の距離測定装置。
6. 前記光源は、干渉型の光変調器の互いに干渉する各々の光の変調条件を調節することにより光周波数コムを発生する光周波数コム光源を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の距離測定装置。
7. 前記光源が出射するパルス光のパルス幅は、１００フェムト秒以上かつ３ピコ秒以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の距離測定装置。
8. 前記分岐手段及び前記遅延手段のパルス光の出射側に、これらから出射する２つのパルス光を合波する第２の合波手段と、得られた第２の合波光を受光する第２の検出手段とを設け、
   前記演算手段は、前記第２の検出手段から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報と、前記検出手段から出力されるビート成分が最大となったときに得られる情報とに基づき、前記対象物までの距離を算出することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の距離測定装置。

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