JP2014202716A - Distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、距離測定装置に関し、特に周波数変調されたレーザ光を利用して、被測定物までの距離を測定する距離測定装置に関する。 The present invention relates to a distance measuring device, and more particularly to a distance measuring device that measures a distance to an object to be measured using a frequency-modulated laser beam.
被測定物までの距離を、その被測定物の表面に沿って求めると、その被測定物の形状を計測することができる。例えば、タービン、車両、航空機等の中物あるいは大物加工部品の形状を計測するために用いられる計測の方式として、FMCW(Frequency Modulated Continuous Waves:以下、FMCWと称する)方式がある。このFMCW方式は、それを実現するための構成が、比較的簡易であり、被測定物までの距離を比較的高精度に計測することが可能である。 When the distance to the measurement object is obtained along the surface of the measurement object, the shape of the measurement object can be measured. For example, there is an FMCW (Frequency Modulated Continuous Waves: hereinafter referred to as FMCW) system as a measurement system used for measuring the shape of medium-sized or large-sized processed parts such as turbines, vehicles, and aircraft. This FMCW system has a relatively simple configuration for realizing it, and can measure the distance to the object to be measured with relatively high accuracy.
このFMCW方式においては、周波数変調(Frequency Modulation:以下、FMとも称する)された連続波信号(Continuous Wave:以下、CWとも称する)であるレーザ光が用いられる。このレーザ光は、送信波として、大気中に放射され、大気中に存在する被測定物に反射して、受信波として戻ってくる。被測定物までの距離を計測するために、受信した受信波と送信した送信波との間の周波数差を有するビート(うなり)信号が生成され、生成されたビート信号の周波数スペクトラムを求めることにより、被測定物までの距離が算出される。 In this FMCW system, a laser beam that is a continuous wave signal (Continuous Wave: hereinafter also referred to as CW) that is frequency-modulated (Frequency Modulation: hereinafter also referred to as FM) is used. This laser light is radiated into the atmosphere as a transmission wave, reflected by the object to be measured existing in the atmosphere, and returned as a reception wave. In order to measure the distance to the device under test, a beat signal having a frequency difference between the received received wave and the transmitted transmitted wave is generated, and the frequency spectrum of the generated beat signal is obtained. The distance to the object to be measured is calculated.
FMCW方式を用いて、被測定物までの距離を高精度に計測するためには、被測定物あるいは測定装置が振動した場合に生じるドップラーシフトの問題を解決することが重要である。また、レーザ光を発生するためにレーザダイオード(Laser Diode:以下、LDとも称する)が用いられるが、LDが有する光周波数変調における非線形性のために、周波数変調で誤差が生じるという問題もある。この問題の解決も重要である。 In order to measure the distance to the object to be measured with high accuracy using the FMCW method, it is important to solve the problem of Doppler shift that occurs when the object to be measured or the measuring apparatus vibrates. In addition, a laser diode (hereinafter also referred to as LD) is used to generate laser light. However, there is a problem that an error occurs in frequency modulation due to nonlinearity in optical frequency modulation of the LD. It is also important to solve this problem.
ドップラーシフトの問題を解決する技術として、例えば特許文献1に開示されている技術がある。また、LDが有する非線形性により生じる周波数変調での誤差に関する問題を解決する技術として、例えば特許文献2および非特許文献1に開示された技術がある。
As a technique for solving the problem of Doppler shift, for example, there is a technique disclosed in
被測定物あるいは測定装置の振動により生じるドップラーシフトの問題に関して、特許文献1においては、振動によって、三角波変調における上昇部分と下降部分とで、ビート信号の周波数が、逆方向にドップラーシフトすることが示されている。これを利用して、特許文献1においては、三角波変調を半周期ずらした2系統の光路を用意することで、ドップラーシフトによって生じる誤差を相殺することが示されている。この場合、2系統の光路を用意する等の点から、コストアップが生じることが危惧される。
Regarding the problem of Doppler shift caused by the vibration of the object to be measured or the measuring apparatus, in
LDが有する非線形性により生じる周波数変調での誤差に関する問題は、LDを駆動する駆動電流が、例え線形掃引されても、LD固体が発生する熱および/あるいはその経年変化による影響で、光周波数は時間に沿って線形にならないことにより、発生する。すなわち、LD駆動電流を、例え時間に沿って線形掃引しても、光周波数変調は、時間に対して非線形となってしまう。 The problem regarding the error in the frequency modulation caused by the nonlinearity of the LD is that, even if the drive current that drives the LD is linearly swept, the optical frequency is affected by the heat generated by the LD solid and / or its aging. Occurs by not being linear over time. That is, even if the LD drive current is linearly swept along the time, the optical frequency modulation becomes nonlinear with respect to time.
この問題に対して、特許文献2には、別途基準の干渉計を設けて、瞬時ビート周波数を求め、補正信号波形を生成することが示されている。しかしながら、実際の計測に用いられる干渉計と、基準として設けられた基準の干渉計との間には、光路差が発生するため、微少ではあるが誤差が発生してしまうことが危惧される。
To deal with this problem,
非特許文献1においては、その図3に、計測用の干渉計とは別に補助干渉計を設け、補助干渉計の出力を電気的に逓倍し、サンプリングクロックとして使う様にし、LDの光周波数変調の非線形性による誤差を軽減する様にした測定装置が示されている。この場合においても、計測用の干渉計と補助干渉計との間で、光路差が生じるため、微少ではあるが誤差が発生することが危惧される。
In
本発明の目的は、高精度な計測が可能な距離測定装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a distance measuring device capable of highly accurate measurement.
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
すなわち、距離測定装置は、その周波数が時間に伴って変わるレーザ光を発生するレーザ光発生器と、上記レーザ光を分配する光分配器とを有している。上記光分配器により分配されたレーザ光は、測定干渉器と補助干渉器に供給される。上記測定干渉器はレーザ光を受けることにより、被測定物までの距離に応じた周波数を有するビート信号を出力する。一方、上記補助干渉器は、レーザ光を受けることにより、上記ビート信号をサンプリングするためのサンプリングクロックを出力する。また、距離測定装置は、上記レーザ光を受け、モニタ信号を出力する光検出器を有し、上記ビート信号をサンプリングするタイミングが、上記モニタ信号により定められる。 That is, the distance measuring device has a laser light generator that generates laser light whose frequency changes with time, and an optical distributor that distributes the laser light. The laser light distributed by the optical distributor is supplied to the measurement interferometer and the auxiliary interferometer. The measurement interferometer receives the laser beam and outputs a beat signal having a frequency corresponding to the distance to the object to be measured. On the other hand, the auxiliary interferor outputs a sampling clock for sampling the beat signal by receiving the laser beam. The distance measuring device includes a photodetector that receives the laser light and outputs a monitor signal, and the timing for sampling the beat signal is determined by the monitor signal.
レーザ光に従ったモニタ信号により、ビート信号をサンプリングするタイミングが定められるため、レーザ光を発生するレーザ光発生器の特性に合わせて、サンプリングをするタイミングを定めることができる。そのため、レーザ光発生器の特性に合わせて、誤差の少ない領域で、ビート信号を取り込む(サンプリング)ことが可能となり、高精度な計測が可能な距離測定装置を提供することが可能となる。 Since the timing for sampling the beat signal is determined by the monitor signal according to the laser light, the sampling timing can be determined in accordance with the characteristics of the laser light generator that generates the laser light. Therefore, a beat signal can be captured (sampling) in a region with little error in accordance with the characteristics of the laser light generator, and a distance measuring device capable of highly accurate measurement can be provided.
また、上記レーザ光発生器は、三角波状の変調信号によって、その周波数が変調される様に駆動される。三角波状の変調信号によって、レーザ光の周波数が上昇している期間(部分)において、サンプリングされた値と、三角波状の変調信号によって、レーザ光の周波数が下降している期間において、サンプリングされた値との平均値が求められ、平均値から距離が算出される。すなわち、レーザ光の周波数が上昇している期間でのビート信号の周波数と、それが下降している期間でのビート信号の周波数との平均値(平均周波数)が求められる。求められた平均値から距離が算出される。これにより、コストアップを抑えながら、ドップラーシフトにより生じる誤差の低減を図ることが可能となる。 The laser light generator is driven so that its frequency is modulated by a triangular wave-like modulation signal. The sampled value during the period (part) in which the frequency of the laser beam is rising due to the triangular wave-like modulation signal and the sampled period during which the frequency of the laser beam is being lowered due to the triangular wave-like modulation signal An average value with the value is obtained, and the distance is calculated from the average value. That is, the average value (average frequency) of the frequency of the beat signal during the period when the frequency of the laser light is increasing and the frequency of the beat signal during the period when it is decreasing is obtained. The distance is calculated from the obtained average value. As a result, it is possible to reduce errors caused by the Doppler shift while suppressing an increase in cost.
本明細書において開示される一実施の形態においては、レーザ光の周波数が上昇している期間で、サンプリングされる値の瞬時ビート周波数と、レーザ光の周波数が下降している期間で、サンプリングされる値の瞬時ビート周波数のそれぞれが、一定値に、近づく様に、レーザ光発生器が駆動される。すなわち、サンプリングされる値の測定ビート周波数の傾きが0に近づく様に、レーザ光発生器は駆動される。これにより、温度および/あるいは経年変化に伴うレーザ光発生器の非線形特性を打ち消す様に、レーザ光発生器は駆動される様になり、更に誤差の少ない距離測定装置を提供することが可能となる。 In one embodiment disclosed in this specification, sampling is performed in a period in which the frequency of the laser beam is increasing, and in an interval in which the instantaneous beat frequency of the value to be sampled and the frequency of the laser beam are decreasing. The laser light generator is driven so that each of the certain instantaneous beat frequencies approaches a constant value. That is, the laser light generator is driven so that the slope of the measured beat frequency of the sampled value approaches zero. As a result, the laser light generator is driven so as to cancel out the nonlinear characteristics of the laser light generator due to temperature and / or secular change, and it is possible to provide a distance measuring device with less errors. .
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
高精度な計測が可能な距離測定装置を提供することができる。 A distance measuring device capable of highly accurate measurement can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
図1は、本発明の一実施の形態に従った距離測定装置の構成を示すブロック図である。同図に示した距離測定装置は、被測定物100との間の距離を、その被測定物の表面に沿って測定することが可能である。そのため、図1に示した距離測定装置は、三次元形状測定装置に該当する。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a distance measuring device according to an embodiment of the present invention. The distance measuring apparatus shown in the figure can measure the distance to the object to be measured 100 along the surface of the object to be measured. Therefore, the distance measuring device shown in FIG. 1 corresponds to a three-dimensional shape measuring device.
同図の距離測定装置は、大別すると、レーザ光を発生するレーザ発生器、発生されたレーザ光を分配する光分配器、分配されたレーザ光をそれぞれ受ける測定干渉器および補助干渉器、測定干渉器からのビート信号を受ける変換器および演算器を具備する。 The distance measuring device of the figure is roughly classified into a laser generator that generates laser light, an optical distributor that distributes the generated laser light, a measurement interferor and an auxiliary interferor that receive the distributed laser light, and a measurement. A converter and a calculator for receiving a beat signal from the interferometer are provided.
同図において、3はレーザ光を発生するレーザ光発生器であり、本実施の形態においては、レーザダイオード23およびフォトデテクタ(Photo Detector)95を有している。レーザダイオード23は、加算器51から出力される駆動電流を受け、駆動電流に従った周波数のレーザ光を発生する。フォトデテクタ95は、上記したレーザダイオード23により発生されたレーザ光を受光し、レーザ光の周波数に従ったモニタ信号を形成する。該モニタ信号は、特に制限されないが、この実施の形態においては、受光したレーザ光の周波数に従って、電圧値が変化するアナログ信号である。
In the figure,
加算器51は、所定のバイアス電流2と、任意の形状の波形を発生する波形発生器1からの電流とを受け、所定のバイアス電流2に、波形発生器1から出力される波形電流を加算して、上記したレーザダイオード23に駆動電流として供給する。この実施の形態においては、波形発生器1は、時間に伴って、その電流値が三角形状に変化する電流波形を発生する。また、後で説明するが、波形発生器1は、演算器15からの制御信号を受け、この制御信号による制御によって、発生する三角形状の電流波形の形状が変更される。レーザ光発生器3によって発光されたレーザ光は、光分配器を構成するファイバーカプラ(Fiber Coupler)41に照射される。ファイバーカプラ41は、受光したレーザ光を、少なくとも2個のレーザ光に光分配する。ファイバーカプラ41により分配された一方のレーザ光は、測定干渉計20に供給され、分配された他方のレーザ光は、補助干渉計21に供給される。
The
測定干渉計20は、ファイバーカプラ42および43、サーキュレータ(Circulator)5、およびコリメータ(Collimator)6を具備している。更に、測定干渉計20は、フォーカスレンズ(Focus Lens)7およびガルバノメータ スキャナ(Galvanometer Scanner)8を具備している。特に制限されないが、フォーカスレンズ7およびガルバノメータ スキャナ8は、被測定物100とともに、大気中に設置される。
The
測定干渉計20から出力されたレーザ光(測定光)は、フォトデテクタ91および92に受光され、このフォトデテクタ91、92により電気信号に変換される。電気信号に変換された測定干渉計20の出力は、加算器52により、加算される。加算により得られたアナログ信号は、増幅器10によって増幅され、測定ビート信号として、変換器14に供給される。測定ビート信号が、増幅器10から出力されるため、測定干渉計20、フォトデテクタ91および92、加算器52および増幅器10によって、測定干渉器が構成されていると見なすことができる。
Laser light (measurement light) output from the
この実施の形態においては、測定干渉計20にガルバノメータ スキャナ8が設けられている。ガルバノメータ スキャナ8によって、レーザ光は、被測定物100の表面を走査する様に、その照射の角度が制御される。これによって、被測定物100の表面における測定位置が変更され、各測定位置での距離が測定され、被測定物100の三次元的な形状を測定することが可能とされている。ガルバノメータ スキャナ8は、走査器(レーザ走査器)として機能し、同図には示されていないが、走査の際に、レーザ光を照射している角度の情報(角度情報)を、後で述べる演算器15に供給する。
In this embodiment, the
補助干渉計21は、ファイバーカプラ44および45、および光路差を設けるための光ファイバーLRを具備している。補助干渉計21から出力されたレーザ光は、フォトデテクタ93および94に受光され、このフォトデテクタ93、94により電気信号に変換される。電気信号に変換された補助干渉計21の出力は、加算器53により、加算される。加算器53から出力されたアナログ信号(加算結果)は、クロック逓倍器22に供給される。クロック逓倍器22は、コンパレータ11、1/nカウンタ13、位相同期回路PLL12を具備している。
クロック逓倍器22に供給されたアナログ信号は、コンパレータ11の一方の入力端子に供給される。コンパレータ11の他方の入力端子には、所定の電圧(実施の形態においては、接地電圧)が印加されている。これにより、所定の電圧を基準電圧として、アナログ信号の電圧が比較され、アナログ信号からクロック信号へ変換される。変換されたクロック信号は、位相同期回路PLL12に供給される。位相同期回路PLL12は、n分の1カウンタ(1/nカウンタ)13から出力されるクロック信号と、コンパレータ11からのクロック信号との位相差を比較し、両クロックの位相が一致する様な周波数のクロック信号を形成する。1/nカウンタ13により、位相同期回路PLL12からの出力クロック信号は分周されて、再び位相同期回路PLL12に供給される。
The analog signal supplied to the
この実施の形態においては、補助干渉計21から出力される2個のレーザ光の周波数の差(ビート)に対応する周波数が、1/nカウンタ13に設定された分周比に従って逓倍される。逓倍により得られたクロック信号は、サンプリングクロックとして、変換器14に供給される。
In this embodiment, the frequency corresponding to the frequency difference (beat) between the two laser beams output from the
この実施の形態においては、サンプリングクロックが、補助干渉計21、フォトデテクタ93、94、加算器53およびクロック逓倍器22により形成される。レーザ光から、補助干渉器によって、サンプリングクロックを形成すると言う観点で見ると、補助干渉器は、補助干渉計21、フォトデテクタ93、94、加算器53およびクロック逓倍器22により構成されていると見なすことができる。
In this embodiment, the sampling clock is formed by the
変換器14は、本実施の形態においては、アナログ信号である測定ビート信号を、補助干渉器から出力されるサンプリングクロックに基づいて、サンプリングし、デジタル信号へ変換するアナログ/デジタル変換器である。また、この実施の形態においては、サンプリングの開始と終了のタイミングは、上記したレーザ光発生器3から出力されるモニタ信号によって定められる。変換器14によりデジタル信号に変換された測定ビート信号は、演算器15に供給される。後で説明するが、演算器15は、測定ビート信号に基づいて、被測定物100までの距離を算出し、出力する。また、三次元の形状測定を行う場合には、ガルバノメータ スキャナ8から、レーザ光の角度に関する角度情報を受け取り、レーザ光の角度と、その角度における距離とに基づいて、三次元の形状を表すデータを算出する。さらに、この実施の形態においては、演算器15は、測定ビート信号に基づいて、波形発生器1を制御する。この制御により、波形発生器1は、発生する三角波の形状を変更する。
In the present embodiment, the
次に、図1に示した距離測定装置の動作を説明する。 Next, the operation of the distance measuring apparatus shown in FIG. 1 will be described.
波形発生器1は、三角形状の波形を発生する。加算器51によって、レーザ光発生器3内のレーザダイオード23を駆動するための直流電流(所定のバイアス電流)2に、波形発生器1により発生された波形(三角波)が加算され、レーザダイオード23を駆動するための駆動電流が形成される。レーザダイオード23は、三角波の駆動電流で周波数変調(三角波変調)駆動されることになり、レーザダイオード23は、その周波数(光周波数)が、時間に沿って三角波状に変化するレーザ光を発生する。三角波変調されたレーザ光は、光ファイバーを通して、ファイバーカプラ41に入射される。ファイバーカプラ41は、光分配器として機能し、入射されたレーザ光を、少なくとも2つの経路に分光する。2つの経路のうちの一方は、測定干渉計20への経路であり、他方の経路は、補助干渉計21の経路である。
The
測定干渉計20に入力されたレーザ光は、ファイバーカプラ42に入射され、分光される。すなわち、ファイバーカプラ42は、レーザ光を、測定光と参照光に分光する。測定光は、サーキュレータ5からコリメータ6に入射され、コリメータ6から、大気中に平行光として放射される。放射された測定光は、フォーカスレンズ7で集光され、ガルバノメータ スキャナ8により、X座標/Y座標方向に走査され、被測定物100の測定位置に照射される。
The laser light input to the
測定光は、被測定物100によって散乱され、散乱された散乱光は、ガルバノメータ スキャナ8、フォーカスレンズ7、コリメータ6の順に透過して、サーキュレータ5に到達する。散乱光は、測定のために用いられるため、本明細書では、散乱光も測定光と称する。サーキュレータ5は、入射した散乱光(測定光)をファイバーカプラ43に照射する。ファイバーカプラ43には、ファイバーカプラ42から参照光が入射されており、このファイバーカプラ43において、参照光と測定光とを干渉させる。ファイバーカプラ43からの出力光は、フォトデテクタ91および92に入射され、電気信号に変換される。変換された電気信号は、加算器52により、減算が行われ、参照光と測定光との間の周波数差に対応する電気信号が求められる。この周波数差に対応する電気信号は、増幅器10により増幅され、測定ビート信号としてアナログ/デジタル(以下、ADと称することもある)変換器14に供給される。
The measurement light is scattered by the device under
ファイバーカプラ41による分光で得られ、補助干渉計21に入射されたレーザ光は、補助干渉計21内のファイバーカプラ44に入射される。ファイバーカプラ44は、入射したレーザ光を分光し、それぞれを異なる光ファイバーに入射する。この異なる光ファイバー間で光路差を発生させるために、一方の光ファイバーの物理的な長さを、他方の光ファイバーに対して長くする。この実施の形態においては、LRの光路差を発生させるために、同図では上側の光ファイバーの長さが長くされている(同図ではLRとして図示)。これらの光ファイバーを透過することにより、光路差LRを有する様にされた2つのレーザ光は、ファイバーカプラ45に入射される。このファイバーカプラ45において、光路差を有する2つのレーザ光は、互いに干渉させられる。互いに干渉させられたレーザ光は、フォトデテクタ93および94に入射され、フォトデテクタ93および94において、電気信号に変換される。
The laser light obtained by spectroscopy by the
フォトデテクタ93および94のそれぞれからの電気信号は、加算器53において、減算が行われる。この減算によって、光路差LRにより生じる2つのレーザ光間の周波数(光周波)差に対応した値を持つアナログ信号が、形成される。すなわち、光路差LRによって生じるビート周波数に対応した値を持つアナログ信号(補助ビート信号)が形成される。加算器53から出力されたアナログ信号は、クロック逓倍器22に供給される。クロック逓倍器22においては、前記した様に、コンパレータ11により、アナログ信号がデジタル信号(クロック信号)に変換される。1/nカウンタ13の分周比を予め定めた逓倍率Mに対応した値に設定することにより、位相同期回路PLL12および1/nカウンタ13の働きにより、補助ビート信号に該当するクロック信号(デジタル信号)は、設定された逓倍率Mに従ったクロック信号(周波数が逓倍されたクロック信号)が形成される。形成されたクロック信号は、サンプリングクロックとして、変換器14に供給される。
The electrical signals from the
変換器14においては、補助干渉器により生成されたサンプリングクロックによって、測定干渉器から出力されている測定ビート信号がサンプリングされる。また、フォトデテクタ95により形成されたモニタ信号が、アナログトリガ信号として変換器14に供給されている。このフォトデテクタ95は、特に制限されないが、レーザ光発生器3内に設けられ、光検出器として機能する。すなわち、フォトデテクタ95は、レーザ光を発生するレーザダイオード23からのレーザ光を受光する様に、近接して配置されており、受光したレーザ光をアナログの電気信号に変換し、モニタ信号として出力する。そのため、測定干渉計20に入射する測定光と、モニタ信号とは同期しており、また、測定ビート信号とモニタ信号の三角波も同期している。もちろん、モニタ信号の三角波は、波形発生器1が発生する三角波とも同期している。
In the
従って、モニタ信号を調べることにより、そのときの測定ビート信号が、三角波(波形発生器1により発生される三角波)のどの位置における測定ビート信号であるかを判定することができる。さらに述べるのであれば、任意の時間領域における測定ビート信号が、三角波のどの位置における測定ビート信号であるかを、モニタ信号より把握することができる。さらに、レーザダイオード23の特性が、温度および/あるいは経年変化により変化した場合においても、モニタ信号は、レーザ光を受光することにより形成しているため、特性の変化に追従して、変化する。そのため、LDの特性が変化しても、測定ビート信号とそのときの三角波の位置とを対応付けることが可能である。
Accordingly, by examining the monitor signal, it is possible to determine at which position of the triangular wave (triangular wave generated by the waveform generator 1) the measured beat signal at that time. If further described, it is possible to grasp from the monitor signal which position of the triangular wave the measurement beat signal in an arbitrary time domain is. Furthermore, even when the characteristics of the
この実施の形態においては、変換器14において、サンプリングクロックによりサンプリングされるタイミングが、モニタ信号により決定される。モニタ信号が所定の値を超えたときから、サンプリングクロックによる測定ビート信号のサンプリングが行われ、所定の値よりも低下すると、サンプリングが停止される。これにより、三角波の適切な位置に対応した測定ビート信号をサンプリングすることが可能となる。この実施の形態においては、後で図5および図6を用いて説明するが、三角波の上昇領域(上昇部分)と下降領域(下降部分)における安定領域で、測定ビート信号がサンプリングされる。
In this embodiment, the timing at which the
サンプリングにより取得した測定ビート信号は、変換器14内において、AD変換され、演算器15に供給される。演算器15では、供給された測定ビート信号に対応するデジタル信号に対して、高速フーリエ変換(以下、FFTと称することもある)の演算を行い、周波数解析を行い、周波数スペクトルを算出する。
The measurement beat signal acquired by sampling is AD converted in the
次に、測定の動作原理を以下説明する。 Next, the operation principle of measurement will be described below.
図2(a)および(b)には、FMCW方式の理想的な波形が示されている。図2の(a)において、横軸は時間を示し、縦軸はレーザ光の周波数(光周波数)を示している。同図において、破線で示されている波形(測定光)は、被測定物100にレーザ光が照射され、それが反射された反射光(測定光)を示しており、また実線で示されている波形(参照光)は、図1で述べた参照光を示している。図1で述べた様に、レーザ光は、波形発生器1により形成された三角形状の駆動電流により、周波数変調されている。そのため、測定光も参照光も、時間に沿って、周波数が三角形状に変化する。
2A and 2B show ideal waveforms of the FMCW system. In FIG. 2A, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the frequency (optical frequency) of the laser beam. In the drawing, a waveform (measurement light) indicated by a broken line indicates reflected light (measurement light) obtained by irradiating the object to be measured 100 with laser light and reflecting it, and also indicated by a solid line. The waveform (reference light) indicates the reference light described in FIG. As described in FIG. 1, the laser light is frequency-modulated by a triangular drive current formed by the
被測定物100までの距離は、参照光と測定光との光路長差で表される。すなわち、測定光は、被測定物100までの距離に応じて、参照光との間で光路差が生じる。これにより、参照光と測定光のそれぞれが、同じ周波数に達するまでに時間差が生じる。図2(a)の例では、光路長差に応じて、測定光の三角波形は、参照光の三角波形に対して、同じ周波数に到達するのに、Δtだけ時間が遅れる。従って、同じ時刻で見た場合には、測定光と参照光との間で、fbだけの周波数差が生じる。そのため、参照波と測定波を干渉させると、この周波数差を有するビート信号が生成される。ここで、三角波変調の繰り返し周波数をfm、変調周波数幅をΔFとした場合、ビート信号の周波数(ビート周波数)fbは、式(1)で表される。
The distance to the device under
このとき、三角波変調が線形に変調されていれば、図2(b)に示されている様に、ビート信号の周波数は、三角波が上部および下部の頂点で折り返す近辺の時刻を除いたところの安定領域で、一定値のビート周波数fbとなる。しかしながら、実際には、レーザダイオードの周波数変調(光周波数変調)は、それ自身の熱および/あるいは経年変化によって、駆動電流の変化に対して発光するレーザの周波数は線形にならない。例えば、駆動電流の変調に対して、発生するレーザが有する周波数の変調は、図3(a)に示されている様に、遅れて反応する。すなわち、非線形性を有してしまう。 At this time, if the triangular wave modulation is linearly modulated, as shown in FIG. 2 (b), the frequency of the beat signal is equal to the frequency of the triangular wave except for the time around the upper and lower vertices. In the stable region, the beat frequency fb has a constant value. In practice, however, the frequency modulation (optical frequency modulation) of the laser diode does not linearize the frequency of the laser that emits light with respect to changes in drive current due to its own heat and / or aging. For example, the modulation of the frequency of the generated laser reacts with delay with respect to the modulation of the drive current, as shown in FIG. That is, it has nonlinearity.
図3(a)および(b)は、図2(a)および(b)と同様に、横軸は時間を表し、縦軸は周波数を示している。ただし、図3(a)および(b)には、FMCW方式における実際の波形の例が示されている。時間変化に対して、レーザ光の周波数が非線形となるため、図3(a)に示されている様に、測定光(破線の波形)と参照光(実線の波形)との間の周波数差(ビート周波数)は、時間変化に対して増減する。そのため、図3(b)に示す様に、三角波が上部および下部の頂点で折り返す近辺の時刻を除いたところの安定領域でも、ビート信号の周波数(ビート周波数)は、一定値とはならず、変動してしまう。 3A and 3B, as in FIGS. 2A and 2B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents frequency. However, FIGS. 3A and 3B show examples of actual waveforms in the FMCW system. Since the frequency of the laser beam becomes non-linear with time, the frequency difference between the measurement beam (dashed waveform) and the reference beam (solid waveform) as shown in FIG. (Beat frequency) increases or decreases with time. Therefore, as shown in FIG. 3B, the beat signal frequency (beat frequency) does not become a constant value even in the stable region except for the time around the triangular wave turning back at the upper and lower vertices. It will fluctuate.
図1に示した距離測定装置においては、レーザダイオードが有する光周波数変調における非線形性による誤差を低減するために、補助干渉計21等が設けられている。測定干渉計20と同じレーザダイオード23からのレーザ光が、補助干渉計21に入射される。補助干渉計21を含む補助干渉器においては、図1において説明した様に、加算器53により光路差LRに応じた補助ビート信号が形成される。同じレーザダイオード23を用いているため、補助ビート信号も、測定光と参照光から求めたビート信号(測定ビート信号)と同様に、レーザダイオード23の特性に合わせて変化する。
In the distance measuring device shown in FIG. 1, an
すなわち、測定ビート信号と補助ビート信号との間の相対的な関係には、レーザダイオード23の特性変化の影響が現れ難くなる。この相対的な関係を利用するために、図1に示した距離測定装置においては、補助ビート信号からサンプリングクロックが形成され、測定ビート信号のサンプリングが行われる様にしている。すなわち、図1に示した距離測定装置においては、サンプリングクロックが、レーザダイオード23が有する非線形特性に合わせた非線形的特性を有することになる。このサンプリングクロックでサンプリングすることにより、レーザダイオード23が持つ光周波数変調における非線形性によって生じる誤差の低減を図っている。
That is, the influence of the characteristic change of the
ところで、上記したサンプリングクロックは、サンプリングの定理から、測定干渉計20によって生成される測定ビート信号の周波数の2倍以上となる様に設定される。このことは、補助干渉計21において、設定する光路差LRを、測定干渉計20において生じる光路差LSの2倍以上に設定することを意味している。しかしながら、補助干渉計21において、光路差LRを長く設定しすぎると、距離測定装置を使う際に周囲環境の変動により、装置が不安定となることが想定される。一方、周囲の環境変動から、補助干渉計21を隔離することも考えられるが、この場合には隔離するための構成に掛かるコストアップが危惧される。
By the way, the sampling clock described above is set so as to be at least twice the frequency of the measurement beat signal generated by the
これを解決するために、図1に示した距離測定装置には、クロック逓倍器22が設けられている。このクロック逓倍器22によって、補助ビート信号は、電気的に逓倍される。これにより、補助干渉計21に設定する光路差LRが長くなるのを抑制することができる。
In order to solve this, a
cを光速、nfを光ファイバの屈折率とすると、補助干渉計21の遅延時間ΔtR(図2および図3においてΔtに相当)および測定干渉計20の遅延時間ΔtS(図2および図3においてΔtに相当)は、式(2)および式(3)で表される。 When c is the speed of light and nf is the refractive index of the optical fiber, the delay time Δt R of the auxiliary interferometer 21 (corresponding to Δt in FIGS. 2 and 3) and the delay time Δt S of the measurement interferometer 20 (FIGS. 2 and 3). (Corresponding to Δt in FIG. 2) is expressed by the equations (2) and (3).
またクロック逓倍器22の逓倍率を、図1で説明した様にMとすると、補助干渉計21のビート信号(補助ビート信号)の周波数fbRおよび測定干渉計20の測定ビート信号の周波数fbSは、式(4)および式(5)で表される。
If the multiplication factor of the
サンプリング定理の制限から、fbR=2×fbSのときに、最大測定距離LSmaxは式(6)で表される。 Due to the limitation of the sampling theorem, when fb R = 2 × fb S , the maximum measurement distance L S max is expressed by Equation (6).
AD変換を行う変換器14でサンプリングされた測定ビート信号を、フーリエ変換によって周波数解析する場合、時間領域の抜き取りデータ数をNとすると、フーリエ変換されたデータの中で有効なデータ数は、N/2であり、最大測定距離LSmaxに相当する。また、フーリエ変換された周波数スペクトルのピーク位置をPとすると、測定干渉計20の光路差LSは、式(7)の関係式から式(8)で算出することができる。
When frequency analysis is performed by Fourier transform on the measurement beat signal sampled by the
上記した式(8)における光路差LSは、図1において、被測定物100までの距離に相当する。図1に示した実施の形態においては、フォーカスレンズ7およびガルバノメータ スキャナ8が、大気中に設置される。そのため、光ファイバ中での光路と大気中での光路の違いがあるため、光ファイバの屈折率nfを式(8)に乗算することで、被測定物100までの距離Lは式(9)で算出することができる。
The optical path difference L S in the above equation (8) corresponds to the distance to the
式(9)において、測定ビート信号の周波数スペクトルにおけるピーク位置Pを除くパラメータは既知であるので、ピーク位置Pを算出すれば、被測定物100までの距離Lを算出することができる。
In Expression (9), since the parameters excluding the peak position P in the frequency spectrum of the measurement beat signal are known, the distance L to the
図1に示した距離測定装置においては、補助干渉計21を設けて、レーザダイオード23が有する光周波数変調特性の非線形性により生じる誤差の低減を図っている。しかしながら、補助干渉計21における光路差LRと測定干渉計20における光路差LSとの間では、長さにおいて差がある。この光路差間の差により、測定ビート信号と補助ビート信号との間に時間的な遅延が生じる。図4(a)および(b)には、補助干渉計21を設けた場合のビート信号の波形が示されている。図4の(a)において、横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。また、同図において、実線は測定ビート信号の波形を示しており、破線は補助ビート信号の波形を示している。補助ビート信号と測定ビート信号のそれぞれは、互いに類似した周波数の変化を示しているが、上記した光路差間の差のために、この例では補助ビート信号が、測定ビート信号に対して遅延している。
In the distance measuring apparatus shown in FIG. 1, an
図4(b)には、補助ビート信号により形成したサンプリングクロックによって、測定ビート信号をサンプリングし、サンプリングした測定ビート信号の周波数(以下、瞬時ビート周波数とも称する)の変化を、時間経過に対してプロットした波形が示されている。同図において、一点破線は、レーザダイオード23が有する光周波数変調特性が線形の場合の測定ビート信号における瞬時ビート周波数の変化を示している。すなわち、理想的な測定ビート信号の周波数変化が、一点破線で示されている。これに対して、同図に実線で示した波形は、補助干渉計21を設け、上記した光路差間に差が有る場合(図4の(a))における測定ビート信号の瞬時ビート周波数の変化が示されている。
In FIG. 4B, the measurement beat signal is sampled by the sampling clock formed by the auxiliary beat signal, and the change in the frequency of the sampled measurement beat signal (hereinafter also referred to as the instantaneous beat frequency) is shown with respect to time. The plotted waveform is shown. In the figure, a dashed line indicates a change in instantaneous beat frequency in a measurement beat signal when the optical frequency modulation characteristic of the
三角波形でレーザ光を周波数変調した場合、図2(a)および(b)で述べた様に、三角波形の上側(上部)および下側(下部)頂点近辺では、ビート信号の周波数が変化する。これに対して、三角波形が上昇している時間領域および下降している時間領域においては、ビート信号の周波数は安定しており、この安定している時間領域において、測定ビート信号の周波数(瞬時ビート周波数)を測定することが望ましい。図4(b)には、上記した安定している時間領域が、安定領域として破線で示されている。 When the laser beam is frequency-modulated with a triangular waveform, the frequency of the beat signal changes near the upper (upper) and lower (lower) vertices of the triangular waveform, as described in FIGS. . In contrast, in the time domain in which the triangular waveform is rising and falling, the frequency of the beat signal is stable, and in this stable time domain, the frequency of the measurement beat signal (instantaneous It is desirable to measure the beat frequency. In FIG. 4B, the above stable time region is indicated by a broken line as the stable region.
図4(b)において、理想的な測定ビート信号の周波数変化と、補助干渉計21を設けた場合の測定ビート信号の周波数変化を比べると、安定領域においても、これらの間に差が生じている。すなわち、三角波形が上昇している期間に存在する安定領域においては、理想的な測定ビート信号よりも補助干渉計21を設けた場合の測定ビート信号の方が、ビート周波数が高くなっている。反対に、三角波形が下降している期間に存在する安定領域においては、理想的な測定ビート信号よりも補助干渉計21を設けた場合の測定ビート信号の方が、ビート周波数が低くなっている。また、いずれの安定領域においても、補助干渉計21を設けた場合の測定ビート周波数は、下降する傾向がある。この様に、補助干渉計21を設けても、測定ビート信号の周波数は、理想的な測定ビート信号の周波数との間で、差が生じており、距離測定において誤差が生じることが懸念される。
In FIG. 4B, when the frequency change of the ideal measurement beat signal is compared with the frequency change of the measurement beat signal when the
本実施の形態においては、上記した測定ビート信号と理想的な測定ビート信号との間の周波数差を低減するために、レーザダイオード23を駆動する駆動電流が校正される。校正をおこなうために、三角波が上昇する期間における安定領域での瞬時ビート周波数と、三角波が下降する期間における安定領域での瞬時ビート周波数の傾きが求められる。この求められた傾きが0に近づく様に、上記した駆動電流を校正(変更)する。
In the present embodiment, the driving current for driving the
瞬時ビート周波数の傾きを求める演算と、上記した傾きが0に近づく様にするための演算は、演算器15において実行され、演算の結果に基づいて、演算器15は、波形発生器1に対して波形の変形(校正)を指示する。これにより、三角波の波形が変更され、レーザダイオード23の駆動電流が校正される。
The calculation for obtaining the slope of the instantaneous beat frequency and the calculation for making the above-mentioned slope approach 0 are executed in the
次により具体的な、校正について図5および図6を用いて説明する。図5には、上記した校正を行う前の波形が示されており、図6には、校正を実施した後の波形が示されている。また、図5(a)と図6(a)には、それぞれレーザダイオード23を駆動する駆動電流の波形が示されており、それぞれの図において横軸は時間を示し、縦軸は駆動電流値を示している。図5(b)と図6(b)には、それぞれレーザダイオード23によって発光され、測定光として用いられるレーザ光の光周波数と、参照光として用いられるレーザ光の光周波数の波形が示されている。図5(b)と図6(b)のそれぞれにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は光周波数を示している。
Next, more specific calibration will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. FIG. 5 shows a waveform before the calibration is performed, and FIG. 6 shows a waveform after the calibration is performed. 5 (a) and 6 (a) show the waveforms of the drive currents that drive the
図5(c)と図6(c)には、サンプリングによって得られた測定ビート信号を、演算器15により時間経過に対して周波数解析を行って求めた瞬時ビート周波数のプロットした波形が示されており、それぞれの図において横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。さらに、図5(d)と図6(d)には、フォトデテクタ95により形成されるモニタ信号の波形が示されており、それぞれの図において横軸は時間を示し、縦軸はモニタ電圧を示している。
5 (c) and 6 (c) show waveforms obtained by plotting the instantaneous beat frequency obtained by frequency analysis of the measured beat signal obtained by sampling with respect to the passage of time by the
図6(e)は、サンプリングによって得られた測定ビート信号を、演算器15により周波数解析を行って求めた、周波数スペクトラムの波形図である。同図において横軸は周波数、縦軸は振幅を示している。
FIG. 6E is a waveform diagram of a frequency spectrum obtained by performing frequency analysis on the measurement beat signal obtained by sampling by the
まず、被測定物100までの距離Lを算出する前(校正前)の説明を、図1および図5(a)から(c)を用いて行い、次に距離Lを算出する際(校正後)の説明を、図1および図6(a)から(c)を用いて行う。 First, the description before calculating the distance L to the device under test 100 (before calibration) will be given using FIG. 1 and FIGS. 5A to 5C, and then when calculating the distance L (after calibration). ) Will be described with reference to FIGS. 1 and 6A to 6C.
波形発生器1により、三角波が発生される。発生された三角波状の電流波形は、バイアス電流2に加算される。この加算によって得られた電流がレーザダイオード23の駆動電流となる。この駆動電流の波形は、図5(a)に示されている。波形発生器1により発生される三角波の周波数は、fmであり、三角波の1周期は1/fmであるとする。この駆動電流により、レーザダイオード23が発光する。発光するレーザ光の光周波数は、駆動電流に従って変化する。すなわち、発光されるレーザ光の光周波数は、三角形状に変化する。例えば、波形発生器1により発生される三角波の上昇領域では、レーザ光の光周波数も順次高くなり、三角波の頂点に達した後の下降領域では、レーザ光の光周波数は順次低くなる。
A triangular wave is generated by the
レーザダイオード23によって発光されたレーザ光は、図1で説明した経路を透過して、被測定物100に照射され、反射される。被測定物100により反射されたレーザ光は、図5(b)において測定光として、破線で、その波形が示されている。また、図5(b)には、ファイバーカプラ42により分光された参照光の周波数波形が、実線で示されている。測定光も参照光も、レーザダイオード23により発光されたレーザ光に基づいているため、図5(b)に示されている様に、三角形状にその光周波数が変化する。ただし、レーザダイオード23の有する光周波数変調における非線形性のために、三角形状に変化する駆動電流の形状とは異なった形状で、それらの光周波数は変化する。なお、5(b)および後で述べる図6(b)において用いている記号は、図2(a)および図3(a)で用いている記号と同じである。
The laser light emitted by the
図1で述べた様に、上記した参照光の光周波数と測定光の光周波数との間の差分が、測定ビート信号として、変換器14に供給される。一方、補助干渉器によって形成された補助ビート信号が、サンプリングクロックとして、変換器14に供給される。図1に示した実施の形態では、変換器14によってサンプリングされる期間が、モニタ信号によって定められる。説明を容易にするために、モニタ信号によってサンプリングする期間を定めていない場合について、次に述べる。
As described in FIG. 1, the difference between the optical frequency of the reference light and the optical frequency of the measurement light is supplied to the
測定ビート信号を、サンプリングクロックによってサンプリングすることにより、サンプリング時点の測定ビート信号のビート周波数が得られる。すなわち、サンプリング時点(瞬時)でのビート周波数(瞬時ビート周波数)が得られる。瞬時ビート周波数を時系列に並べて、波形として表した波形図が、図5(c)である。図5(c)において、駆動電流が、三角形の上下の頂点付近にあるときには、測定光と参照光との間の周波数差が大きくなり、瞬時ビート周波数が大きく変動している。言い換えるならば、三角形の上下の頂点付近の領域は、瞬時ビート周波数が不安定な領域である。一方、駆動電流が、三角形状に従って増加および減少している期間においては、理想的なビート信号の場合、瞬時ビート周波数は一定となる(図4(b))。言い換えるならば、三角形の上昇期間および下降期間は、瞬時ビート周波数が安定している安定期間となる。図5(c)には、三角波の上昇部分(期間)における安定期間が安定領域Aとして破線で示してあり、三角波の下降部分(期間)における安定期間が安定領域Bとして破線で示してある。 By sampling the measurement beat signal with the sampling clock, the beat frequency of the measurement beat signal at the time of sampling can be obtained. That is, the beat frequency (instantaneous beat frequency) at the time of sampling (instantaneous) is obtained. FIG. 5C is a waveform diagram in which the instantaneous beat frequencies are arranged in time series and expressed as a waveform. In FIG. 5C, when the drive current is near the top and bottom vertices of the triangle, the frequency difference between the measurement light and the reference light is large, and the instantaneous beat frequency varies greatly. In other words, the region near the upper and lower vertices of the triangle is a region where the instantaneous beat frequency is unstable. On the other hand, in the period when the drive current increases and decreases according to the triangular shape, the instantaneous beat frequency is constant in the case of an ideal beat signal (FIG. 4B). In other words, the rising and falling periods of the triangle are stable periods in which the instantaneous beat frequency is stable. In FIG. 5C, the stable period in the rising portion (period) of the triangular wave is indicated by a broken line as the stable region A, and the stable period in the falling portion (period) of the triangular wave is indicated by a broken line as the stable region B.
安定領域A、Bにおいても、レーザダイオードの有する非線形特性のために、瞬時ビート周波数は変化する。三角波の上昇部分における安定領域Aでの瞬時ビート周波数の傾きをauとし、三角波の下降部分における安定領域Bでの瞬時ビート周波数の傾きをadとする。瞬時ビート周波数の傾きは、微分により演算できる。すなわち具体的には安定領域の隣り合う瞬時ビート周波数の減算値が傾きとなる。この瞬時ビート周波数の傾きauおよびadが、予め設定した許容範囲±amaxに収まる様に、レーザダイオード23を駆動する駆動電流の波形を校正する。この校正により、例えば駆動電流の三角波は、図6(a)の様に変形される。すなわち、破線で示した三角波形から、実線で示した様な膨らみのある三角状波形へ変形される。三角波を変形するために、演算器15から波形発生器1に指示をしてもよいし、演算器15で変形後の三角波を演算により求めて、それを波形発生器1に供給し、変形後の三角波が波形発生器1から加算器51に供給される様にしてもよい。
Even in the stable regions A and B, the instantaneous beat frequency changes due to the nonlinear characteristics of the laser diode. The slope of the instantaneous beat frequency in the stable region A in the rising portion of the triangular wave is au, and the slope of the instantaneous beat frequency in the stable region B in the falling portion of the triangular wave is ad. The slope of the instantaneous beat frequency can be calculated by differentiation. Specifically, the subtraction value of the adjacent instantaneous beat frequencies in the stable region is the slope. The waveform of the drive current that drives the
図6(a)のように、駆動電流の傾きを滑らかにするには、例えば2次関数の様な変形関数を、演算器15に用意し、この変形関数に従って、三角波が変形される様に演算器15から波形発生器1を制御すればよい。
As shown in FIG. 6A, in order to smooth the slope of the drive current, a modification function such as a quadratic function is prepared in the
変形関数として用いる2次関数の例を次に述べる。三角波の上昇部分を関数fu0(t)とし、下降部分を関数fd0(t)とし、変形後の上昇部分を2次関数fu1(t)とし、変形後の下降部分を2次関数fd1(t)とした場合、各関数は、式(10)から式(13)で表される。 An example of a quadratic function used as a deformation function will be described next. The rising portion of the triangular wave is a function fu0 (t), the falling portion is a function fd0 (t), the rising portion after deformation is a quadratic function fu1 (t), and the falling portion after deformation is a quadratic function fd1 (t). In this case, each function is expressed by Expression (10) to Expression (13).
式(12)の変形後の上昇部分fu1(t)では、時刻t=0のとき、傾きはa+cとなり、時刻t=1のとき、傾きはa−cとなり、傾きが滑らかに変化する(式(12)の微分)。下降部分fd1(t)についても同様に、傾きが滑らかになる。2次関数に用いられるパラメータのうち、aおよびbは、変形前の関数から既知である。そのため、式(12)では、パラメータcを、式(13)ではパラメータdを、細かく変更することにより、変形の度合いを調整することが可能である。もちろん、変形関数としては、2次関数に限定されるものではない。 In the ascending portion fu1 (t) after the deformation of Expression (12), when time t = 0, the inclination becomes a + c, and when time t = 1, the inclination becomes a−c, and the inclination changes smoothly (expression) Differentiation of (12)). Similarly, the slope of the descending portion fd1 (t) becomes smooth. Of the parameters used for the quadratic function, a and b are known from the function before deformation. Therefore, the degree of deformation can be adjusted by finely changing the parameter c in Expression (12) and the parameter d in Expression (13). Of course, the deformation function is not limited to a quadratic function.
レーザダイオード23の駆動電流を、三角形から変形することにより、測定光および参照光のそれぞれは、図6(b)に示されている様に、より三角波に近い波形に校正される。これに伴って、測定ビート信号の瞬時ビート周波数も、安定領域AおよびBにおいては、図6(c)に示されている様に、傾きがほぼ0になることで一定値に近づく様になる。
By changing the drive current of the
次に、モニタ信号を用いて、サンプリング期間を定めることについて、説明する。モニタ信号は、図5(d)および図6(d)に示されている。モニタ信号の電圧は、レーザダイオード23によって発光するレーザ光の光周波数に従って変化する。そのため、モニタ信号の電圧を見ることにより、今発生している測定ビート信号が、三角波のどの領域(位置)に対応しているのかを判断することが可能である。上記した安定領域AおよびBを含んでいる領域に該当するところの三角波上における位置に対応するモニタ電圧を、予め求め、この求めたモニタ電圧を基準電圧Vrefdとする。変換器14は、この基準電圧Vrefdとモニタ信号の電圧を比較し、モニタ電圧が、基準電圧Vrefdを超えている期間、測定ビート信号をサンプリングクロックにより、サンプリングをする。
Next, the determination of the sampling period using the monitor signal will be described. The monitor signal is shown in FIG. 5 (d) and FIG. 6 (d). The voltage of the monitor signal changes according to the optical frequency of the laser light emitted by the
変換器14は、サンプリングにより得た測定ビート信号をAD変換して、演算器15に供給する。図5(d)および図6(d)に示した例においては、時刻t1から時刻t4までの期間において、測定ビート信号がサンプリングされ、AD変換されたデータが、演算器15に供給される。これにより、レーザダイオード23が非線形の特性を有していても、安定領域AおよびBにおける測定ビート信号がサンプリングされる様になり、誤差の低減を図ることができる。
The
なお、本実施の形態においては、不安定な領域である時刻t2からt3の期間においても、サンプリングが行われ、AD変換されたデータが演算器15に供給される。この不安定な領域は、予めその位置を把握することが可能であるため、例えば演算器15によって、不安定の期間におけるデータに対しては演算を実施しない様にすることが可能である。もちろん、基準電圧として、上記したVrefdだけではなく、時刻t3および時刻t4に対応する上限の基準電圧Vrefu(図示せず)を設ける様にしてもよい。この場合には、変換器14により、モニタ信号の電圧が基準電圧VrefdとVrefuとの間に入っている期間においてのみ、測定ビート信号のサンプリングを行う。
In the present embodiment, sampling is performed even during the period from time t 2 to t 3 , which is an unstable region, and AD converted data is supplied to the
この様にして得た安定領域AおよびBのそれぞれにおけるサンプリングデータは、AD変換され、第1のデジタル信号(安定領域Aのサンプリングデータ)と第2のデジタル信号(安定領域Bのサンプリングデータ)として、演算器15に供給される。演算器15は、これらのデジタル信号を用いて、上記した演算を実行することにより、三角波を変更する様なLDの駆動電流を形成する。
The sampling data in each of the stable regions A and B obtained in this way are AD-converted as a first digital signal (sampling data in the stable region A) and a second digital signal (sampling data in the stable region B). , And supplied to the
なお、図5(a)に示した駆動電流の波形と、図5(b)に示した測定波および参照波の波形との間には、時間差があるが、図面を簡単にするために、同図では、上下に描かれている。このことは、図6(a)と図6(b)についても同様である。 Although there is a time difference between the waveform of the drive current shown in FIG. 5A and the waveform of the measurement wave and the reference wave shown in FIG. 5B, in order to simplify the drawing, In the figure, they are drawn up and down. The same applies to FIGS. 6A and 6B.
図6(e)には、測定ビート信号をサンプリングし、AD変換を行い、AD変換により得られたデータに対して、演算器15が、フーリエ変換演算を行い、これにより得られた周波数スペクトルが示されている。同図において、横軸は周波数を示し、縦軸は振幅を示す。この様に周波数解析を行うことにより、被測定物100までの距離に応じた周波数でピークPが生じる。このピークPにおける周波数の値を式(9)に代入することにより、被測定物100までの距離が求められる。演算器15による演算によって、周波数スペクトルからピーク位置に対応する周波数が得られるため、演算器15は、このとき周波数弁別器として機能しているとみなすことができる。
In FIG. 6 (e), the measurement beat signal is sampled, AD conversion is performed, and the
本実施の形態においては、三角波の上昇領域における安定領域Aと下降領域における安定領域Bの2つの安定領域における測定ビート信号の周波数を1つの単位として扱う。すなわち、この2つの安定領域A、Bにおける測定ビート信号の周波数を平均し、平均した測定ビート信号の周波数を、フーリエ変換用のデータとして用いる。具体的には、上記した第1のデジタル信号(安定領域A)と第2のデジタル信号(安定領域B)の平均値を求める。求めた平均値をフーリエ変換用のデータとして用いる。フーリエ変換により、周波数スペクトラムのピークを算出することによって、距離が求められる。この様にすることにより、被測定物100等の振動によって発生するドップラーシフト分の周波数変動を相殺し、測定光路差分のみを測定することが可能となる。
In the present embodiment, the frequency of the measurement beat signal in the two stable regions of the stable region A in the rising region of the triangular wave and the stable region B in the falling region is handled as one unit. That is, the frequency of the measurement beat signal in the two stable regions A and B is averaged, and the averaged frequency of the measurement beat signal is used as data for Fourier transform. Specifically, an average value of the first digital signal (stable region A) and the second digital signal (stable region B) is obtained. The obtained average value is used as data for Fourier transform. The distance is obtained by calculating the peak of the frequency spectrum by Fourier transform. By doing so, it is possible to cancel the frequency fluctuation corresponding to the Doppler shift generated by the vibration of the device under
この場合、ドップラーシフトの対策のために、別の光学系を設けなくてもよいため、コストアップを抑えながら、測定における誤差を低減することが可能となる。なお、1カ所の距離の測定には、複数回のレーザ光の照射が行われる。そのため、上記した1つの単位を複数用いて、距離の測定は実施されることになる。 In this case, since it is not necessary to provide another optical system as a countermeasure against Doppler shift, it is possible to reduce errors in measurement while suppressing an increase in cost. Note that a plurality of times of laser light irradiation are performed for measuring the distance at one place. Therefore, the distance is measured using a plurality of the above-mentioned one unit.
本実施の形態においては、レーザダイオード23を駆動する駆動波形の上昇領域と下降領域の両方を、図6(a)に示した様に変形しているが、上昇領域あるいは下降領域のいずれか一方のみを変形する様にしてもよい。
In the present embodiment, both the rising region and the falling region of the drive waveform for driving the
以上本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前記実施形態では安定領域での瞬時ビート周波数が一定値になるように、傾きを0に近づく様に演算すると示したが、三角波の上昇部分と下降部分における安定領域での瞬時ビート周波数の平均値を求め、この平均値からの誤差が減少するように演算してもよい。 Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the above-described embodiment, the calculation is performed so that the slope approaches 0 so that the instantaneous beat frequency in the stable region becomes a constant value. However, the instantaneous beat frequency in the stable region in the rising and falling portions of the triangular wave is shown. An average value may be obtained and calculated so that an error from the average value is reduced.
また、例えば、上記した変形関数は、波形発生器1に設ける様にしてもよい。
Further, for example, the above-described deformation function may be provided in the
また、レーザダイオードを駆動する駆動波形の変形は、繰り返して実行する様にしてもよい。この場合、例えば、変形後の関数に従った駆動波形を任意波形発生器1から出力させ、これにより得た瞬時ビート周波数を算出する。算出した瞬時ビート周波数を基に、傾きauおよびadを求める。求めた傾きと許容範囲±amaxと比較し、許容範囲内になるまで変形関数fu1(t)及びfd1(t)のパラメータ(係数)c及びdを変更して収束させればよい。この様に繰り返すことにより、レーザダイオードの光周波数変調の非線形性による誤差を、さらに軽減でき、高精度に距離を測定することができる。
Further, the deformation of the drive waveform for driving the laser diode may be repeatedly executed. In this case, for example, a drive waveform according to the function after deformation is output from the
更に、演算器15は、計算機でもよい。この場合、計算機は他のシステムと兼用されていてもよい。
Further, the
1 波形発生器
3 レーザ光発生器
14 変換器
15 演算器
23 レーザダイオード
41〜45 ファイバーカプラ
51〜53 加算器
91〜95 フォトデテクタ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記レーザ光発生器により発生されたレーザ光を受け、分配を行う光分配器と、
前記光分配器により分配されたレーザ光を受け、被測定物までの距離に応じた周波数を有するビート信号を出力する測定干渉器と、
前記光分配器により分配されたレーザ光を受け、前記ビート信号をサンプリングするための、サンプリングクロックを形成する補助干渉器と、
前記レーザ光発生器により発生されるレーザ光を受け、モニタ信号を出力する光検出器と、
前記サンプリングクロックに従って、前記ビート信号をサンプリングし、前記ビート信号に応じたデジタル信号に変換する変換器であって、サンプリングの期間が、前記モニター信号により定められる変換器と、
前記変換器からのデジタル信号を受け、前記被測定物までの距離を表すデータを算出する演算器と、
を具備し、
前記演算器は、前記レーザ光の周波数が、上昇する期間において、前記変換器から出力される第1デジタル信号と、前記レーザ光の周波数が、下降する期間において、前記変換器から出力される第2デジタル信号とを受け、前記第1デジタル信号の第1周波数と前記第2デジタル信号の第2周波数の平均を求め、距離を表すデータを算出する、距離測定装置。 A laser light generator for generating laser light whose frequency changes to a triangular shape with time;
A light distributor that receives and distributes the laser light generated by the laser light generator;
A measurement interferometer that receives the laser light distributed by the optical distributor and outputs a beat signal having a frequency corresponding to the distance to the object to be measured;
An auxiliary interferor for receiving a laser beam distributed by the optical distributor and sampling the beat signal to form a sampling clock;
A photodetector for receiving a laser beam generated by the laser beam generator and outputting a monitor signal;
A converter that samples the beat signal in accordance with the sampling clock and converts the beat signal into a digital signal corresponding to the beat signal, wherein the sampling period is determined by the monitor signal;
An arithmetic unit that receives a digital signal from the converter and calculates data representing a distance to the object to be measured;
Comprising
The computing unit outputs a first digital signal output from the converter during a period in which the frequency of the laser light increases and a first digital signal output from the converter in a period during which the frequency of the laser light decreases. A distance measuring device that receives two digital signals, calculates an average of a first frequency of the first digital signal and a second frequency of the second digital signal, and calculates data representing a distance.
前記距離測定装置は、前記演算器により制御され、前記レーザ光発生器に、三角波状の変調信号を供給する波形発生器を、具備し、
前記演算器は、前記変換器から出力される前記デジタル信号を受け、前記デジタル信号の時間経過に対する周波数を求め、前記時間経過に対する周波数が一定になる様に、前記波形発生器を制御する、距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 1,
The distance measuring device includes a waveform generator that is controlled by the calculator and supplies a triangular wave-like modulation signal to the laser light generator,
The arithmetic unit receives the digital signal output from the converter, obtains a frequency with respect to the passage of time of the digital signal, and controls the waveform generator so that the frequency with respect to the passage of time is constant. measuring device.
前記距離測定装置は、前記演算器により制御され、前記レーザ光発生器に、三角波状の変調信号を供給する波形発生器を、具備し、
前記演算器は、前記レーザ光の周波数が、上昇する期間において、前記変換器から出力される前記第1デジタル信号と、前記レーザ光の周波数が、下降する期間において、前記変換器から出力される前記第2デジタル信号とを受け、前記第1デジタル信号の前記第1周波数と前記第2デジタル信号の前記第2周波数の平均を求め、求めた平均値と、前記第1周波数および前記第2周波数のそれぞれとの間の差が減少する様に、前記波形発生器を制御する、距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 1,
The distance measuring device includes a waveform generator that is controlled by the calculator and supplies a triangular wave-like modulation signal to the laser light generator,
The calculator outputs the first digital signal output from the converter during a period in which the frequency of the laser light increases and is output from the converter during a period in which the frequency of the laser light decreases. The second digital signal is received, an average of the first frequency of the first digital signal and the second frequency of the second digital signal is obtained, and the obtained average value, the first frequency, and the second frequency A distance measuring device that controls the waveform generator such that the difference between each of the two is reduced.
前記測定干渉器は、前記被測定物の測定位置を走査する走査器を具備し、
前記演算器は、前記走査器からの角度情報を受け、前記角度情報と、前記距離を表すデータとに基づいて、前記被測定物の三次元形状を算出する、距離測定措置。 In the distance measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The measurement interferometer includes a scanner that scans the measurement position of the object to be measured.
The distance measuring unit, wherein the computing unit receives angle information from the scanner and calculates a three-dimensional shape of the object to be measured based on the angle information and data representing the distance.
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