JP2017523403A - 二重レーザ周波数掃引干渉測定システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

光学配置、方法および測定システムを開示する。配置は周波数掃引レーザから第１のビームを受ける第１の入力部、固定周波数ポンプレーザ源から第２のビームを受ける第２の入力部を含む。非線形光学人工物は、第１および第２のビームを受け、それらを相互変調してポンプレーザ源の固定周波数と鏡像関係にある第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する。選択的結合要素は、第１および第３のビームを出力する。非線形人工物または２つのレーザの１つもしくは両方は、第１および第２のビームの光学的周波数間隔が非線形人工物のコヒーレント長条件を満たすように選択すなわち構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、二重レーザ周波数掃引干渉法（二重掃引ＦＳＩ）に用いるシステムおよび方法に関する。

干渉法測定は、例えば光の波長を用いて１つ以上の目標までの距離を測定する技術である。干渉法測定は、長距離測定、１台の干渉計から複数の目標を同時に測定する能力が特に有利な３次元測位（主に周波数のみを用いる）および工学および航空宇宙用途向けの微小変位（位相も用いる）、品質管理装置用の表面検査および画像処理、ならびに光干渉断層撮影（ＯＣＴ）技術のような生物学的用途向けの短距離細密画像処理とを含む多くの様々な分野および用途に用いることができる。

周波数走査干渉法（ＦＳＩ、周波数掃引干渉法（周波数スイーピング干渉法(Frequency Sweeping Interferometry)）としても知られている）は、光を用いて、協調的反射目標または非協調的鏡面反射面までの距離を測定するのに用いられる干渉法の一種である。それは、波長シフト干渉法、周波数変調連続波測距およびレーザレーダとしても知られている。一実施例が図１に示されている。

ＦＳＩは、１つ以上の目標点（いわゆる非協調的目標の場合）または１つ以上の協調的再帰反射目標を照射するために干渉計を用いる。干渉計は、光源からの光を参照ビームと測定ビームとに分波するなんらかの手段を提供する。測定ビームは１つの目標点（または複数の目標点）に向けられ、目標点は干渉計に戻るように入射光の一部を反射する。戻り参照ビームと測定ビームとを検出器すなわち受信器で合波するために、参照ビームを干渉計内で参照鏡によって反射する。

ＦＳＩは、光源として可変波長レーザを用いる。可変波長レーザからの光の周波数は、所定範囲の周波数にわたって掃引される。掃引されるときに正弦波信号を検出器で受ける。この信号の周波数は目標までの距離に比例し、したがって、信号周波数を測定することにより目標までの距離を測定することが可能になる。このことは、図２に示されており、そこでは受信器への到達時間に対する反射周波数が表現されている。観測された周波数差（ビート周波数）ΔＦは測定ビームの往復時間τ（光速ｃと共に目標までの距離Ｄに関係する）に比例する。

連続掃引を利用することで、距離が異なることによって生じる時間遅延の結果、ビート周波数が発生する。このビートの周波数は、掃引が線形である場合（または掃引が別の参照を経て線形化される場合）、目標までの距離に正比例し、また、ＦＦＴによる周波数処理は、時間遅延測定法よりもより容易であり信頼性も高いので、この方法は特に正確な測定に有用である。

この設計についての様々な選択肢が提案されており、選択肢は、周波数のみに依存する単純な系から、位相測定を伴うより複雑な系（これにより精度が改善されるが、さらなる参照が必要なためにこの系は柔軟性に劣り、さらに信号がどこかで失われれるという問題が生じる）に及ぶ。

ＦＳＩでは、測定中のレーザの光学的周波数は、以下の式で記述することができる。

ここで、ｆ（ｔ）はレーザ光の光学的周波数であり、αはレーザ周波数の変化率であり、
は、時刻（ここで、Ｔは全測定時間である）であり、ｆ０はｔ＝０でのレーザ周波数である。この掃引を用いると、干渉法検出後の場の強度は、ＤＣ成分および高周波成分を除く場合、以下の式に適合する。

τは、参照鏡と目標との間の時間の遅れであり、ατは、図２における測定されたビート信号周波数ΔＦである。τ２項は通常無視し得るものであり、したがって、除かれている。この式は、周波数フーリエ解析により（たとえば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって）容易に評価することができ、τが定数の場合、この式は目標までの距離に対応する周波数ΔＦに明確なピークを与える。理想的ではない状況では、目標が意図的に動くか振動により動くとき、または光路がたとえば空気の動きで変化し、このためにτがｔに依存する場合に問題が生じる。ｆ０は、余弦（ｃｏｓｉｎｅ）の変数が他の項に比べて大きいため、測定中のτの変化が小さい場合でも信号に大きな乱れが生じる場合がある。このドップラー偏位により、目標の運動が複数の測定にわたって不ぞろいである（たとえば振動によって生じる場合）場合の測定のバラツキの増大および目標が一定の割合で動くときに存在する定誤差の存在による測定のバラツキの増大の両方により、距離測定の不確かさが極めて大きくなる。

この課題を解決するために、（２つの異なる光供給源に由来する）２つの異なる掃引が使用されている。この技術は、二重掃引ＦＳＩとして知られている。例えば、米国特許第８６８７１７３号に記載されているシステムは、２つの異なる整調率(tune rate)で操作され反対方向（一方は周波数を高く、もう一方は低く）に周波数をあわせる２つの波長可変レーザを用いて、２つの周波数成分（各レーザから１成分）を持つ状態で１つの光検出器で単一の信号を生成する。２つの信号を周波数で分離することで、２つの信号を独立して処理し、ドップラー効果に起因する誤差がほとんどない単一の距離測定値を決定することができる。

別の解決策がシュナイダーら（２０００年）によって提案されており、この技術では、２つのレーザを同じ整調率だが方向を反対に操作して２つの信号を生成する。このレーザを分離（周波数による分離、偏光による分離、または他の技術による分離）して、２つの異なる受信器で別々に検出することができるようにする必要がある。この場合、以下の信号が得られる。

Ｉ１（ｔ， τ）とＩ２（ｔ， τ）とを掛け合わせると、以下が得られる。

レーザの周波数を同じ速度でかつ反対方向に（この場合、α１＝−α２かつｆ０，１≡ｆ０，２）掃引すると、上記の式は以下のようになる。

第１項は、測定される距離に比例する周波数の余弦であるが、τが測定中に変化しても大きな外乱の影響を受けない。第２項は低周波信号であり、この解析に影響しない。

あるいは、α１＝−α２かつｆ０，１≠ｆ０，２の場合、ｆ０，１とｆ０，２との平均をｆｐと表わし、Ｉ１（ｔ， τ）とＩ２（ｔ， τ）とを掛け合わせると、以下が得られる。

この場合も、第１項は、測定される距離に比例する周波数の余弦であるが、τが測定中に変化しても大きな外乱の影響を受けない。第２項は、センサと目標との間の相対的な動き（機械的な動きまたは光路長変化のいずれか）に関する情報を伝える低周波信号である。

上記の各等式では、ｔは時刻を表わし、α１およびα２が時刻に比例して変化すると仮定する。α１および／またはα２が時刻ｔに比例して変化しない場合は、パラメータｔを、α１およびα２がそれに比例して変化する別のパラメータｉと置き替えることができる。

この手法は、同期するように操作される２つの別体の波長可変レーザを用いて実現し、正確に同じ割合で反対方向に周波数を変えることができる。

二重掃引ＦＳＩシステムに必要な波長可変レーザは、多くの場合（特に、モードホップのない広いチューニング範囲を必要とする高い精度が求められる場合）、この種のシステムで最も高価な構成要素であり、レーザの周波数掃引を十分な精度で同期させるのが困難な場合がある。達成可能な距離分解能／精度は、レーザをモードホッピングなしにチューニングすることができる周波数範囲に直接関係する。通常、レーザのチューニング範囲が広くなると、コストは上昇する。

例えば、レーザと同期方法の異なる組み合せを含む二重掃引ＦＳＩシステムの精度を改善することが試みられている。

しかしながら、改善にもかかわらず、この手法は依然として非常に費用がかかり、実施しかつ管理するには複雑なままである。

図１１（整調されたレーザ出力を得るのに用いられるサーキュレータを示す）に示すように、ＦＳＩは、テロダイン検出を用いて、測定ビームを参照ビームとビートさせて正弦波信号を生成する。レーザから出てサーキュレータを通過する光の一部は、光ファイバの端面で後方に反射し参照信号を形成する。光の大部分は空間に投影され、１つ以上の目標によって反射される。反射光は光ファイバ端に戻り、光ファイバ内に戻ってカップリングし、サーキュレータによって参照ビームとともに光検出器に偏向され、そこで各ビームは干渉して信号を生成する。このようにして、参照ビームは局部発振器（ＬＯ）の役割を果たす。信号振幅がＬＯ振幅と測定ビーム振幅との積に比例することは広く知られている。したがって、ＬＯ振幅または測定ビーム振幅が増加すると、信号レベルは高くなる。しかし、産業用途については、眼に危険が及ばない状態に測定ビームを維持してユーザの傷害を防止しなければならない。これにより、測定ビーム振幅を増大させることによって得ることができる信号利得の大きさが制限される。したがって、参照ビーム振幅を制御することによって、信号利得の改善について最善を尽くすことができる。

ＬＯビームを生成する簡便な手法は、測定点にレーザ光を伝達するのに用いられる光ファイバ端からの後方反射を用いるものである。これにより、（図８に示すように）測定データの位置が光ファイバの物理的端部に都合よく配置される。この手法の第２の利点は、光ファイバ中の応力（温度、物理的歪みなど）に起因する、光ファイバの下流に伝播する際の測定ビームおよび参照ビームに対する外乱が同相（共通モード）であり、検出器で検出される信号に影響しないことである。

しかしながら、このように光ファイバ端からＬＯ信号を得ることにより、達成可能な信号利得の大きさが制限される。未処理の光ファイバは入射光の約４％を反射し、このためＬＯ信号は弱くなる。光ファイバの端をコーティングすれば反射率を大きくすることができる。ただし、ＬＯ信号を大きくするために反射率を増大させると、測定信号の劣化を招く。というのは１つ以上の目標から戻る際に光ファイバ内でカップリングするからである。最適反射率は３３％である。

ＬＯ参照を得る別の手法は、図１２に示されている分波比Ｒ：Ｔを持つ分波器を用いるものである。分波器は、光のＲ％をＬＯビームにし、Ｔ％を測定ビームにする。ここでもサーキュレータを用いて、測定ビームを空間に向けて放ち、測定ビームを戻り光ファイバに戻す。その後、ＬＯビームおよび測定ビームを５０：５０のカプラで合波し、調整済みの検出器を用いて検出することができる２つの信号を生成する。このセットアップの利点は、適切にＲ：Ｔ比およびレーザ出力を設定することで利得を制御することができ、これにより、測定ビームを眼に危険が及ばない出力レベルに維持しつつ、所望の信号利得が得られることである。

この手法の欠点は、ＬＯビームと測定ビームが光ファイバを通る共通の経路をもはや取らないということであり、したがって、例えば温度変化または他のストレスに起因する光ファイバに対するいかなる外乱も距離測定値のドリフトの原因となる。言い換えると、測定データは明確には決まらない。

したがって、本課題は、費用効果に優れ、また、同時に複数の目標を測定し（座標計測用途向け）、堅牢性の高い信号を提供するのに十分な光学利得を持ち、信頼性が高く、かつドリフトのない測定データを提供するように動作することができるシステムを生み出すことである。

本発明の態様に係れば、
周波数掃引レーザから第１のビームを受ける第１の入力部と、
固定周波数ポンプレーザ源から第２のビームを受ける第２の入力部と、
前記第１および第２のビームを受け、それらを相互変調して前記ポンプレーザ源の前記固定周波数と鏡像関係にある前記第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する非線形光学人工物と、
前記第１および第３のビームを出力する選択的結合要素とを含み、
前記非線形人工物は、前記第１および第２のビームの前記光学的周波数間隔が前記非線形人工物の前記コヒーレント長条件を満たすように選択すなわち構成されている光学配置が提供される。

前記光学配置は、前記第１のビームを受け、そのビームを第１および第２の部分に分波し、前記第１の部分を前記非線形光学人工物に提供する第１のカプラをさらに備えてもよい。

前記非線形光学人工物は、半導体光増幅器を備えてもよい。

好ましくは、前記非線形人工物は、４光波混合を引き起こして前記第３のビームを生成する。

前記光学配置は、前記非線形光学人工物の前記出力から前記第３のビームを抽出するフィルタをさらに備えてもよい。

本発明の別の態様に係れば、周波数掃引レーザ源と、ポンプレーザ源と、上記に記載の光学配置とを含み、前記周波数掃引レーザは前記第１の入力部に連結されており、前記ポンプレーザ源は前記第２の入力部に連結されている、二重レーザビーム掃引生成システムが提供される。

本発明の別の態様に係れば、
周波数掃引レーザ源から、第１の測定ビームと、前記第１の測定ビームおよび前記第１の測定ビームの鏡像複製物を含む第２の測定ビームとを受けるように動作可能であり、
前記第２の測定ビームを光ファイバに沿って干渉計に導き、前記光ファイバに沿って逆に戻る光を測定するように配置されており、
前記第１の測定ビームをさらなる干渉計に導き、そのビームからサンプリング信号を抽出するようにさらに配置されており、前記サンプリング信号に依存する周波数で前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの前記光をサンプリングするように配置されている測定システムが提供される。

前記測定システムは、前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの前記サンプリングされた光の１つ以上の周波数を評価し、その評価結果から測定されることになる１つ以上の前記距離を決定するように配置されているデータ解析システムをさらに備えてもよい。

前記データ解析システムは、高速フーリエ変換を計算し、フィッティングを実行することによってピークの位置を評価して前記距離を決定するように配置されてもよい。

前記データ解析システムは、高速フーリエ変換を計算し、フィッティングを実行して各目標までの距離を決定することでピークの位置を評価する前に、周波数領域でウインドウ処理を行なうかまたは時間領域で狭帯域通過フィルタリングを行なうことで、個々の目標に対応する個々の信号成分を分離するように配置されてもよい。

本発明の別の態様に係れば、
周波数掃引レーザから第１のビームを受ける工程と、
固定周波数ポンプレーザ源から第２のビームを受ける工程と、
非線形光学人工物中で前記第１および第２のビームを相互変調して前記ポンプレーザ源の前記固定周波数と鏡像関係にある前記第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する工程と、
前記第１および第３のビームを出力する工程とを含み、
非線形人工物は、前記第１および第２のビームの前記光学的周波数間隔が前記非線形人工物の前記コヒーレント長条件を満たすように選択すなわち構成されている、二重レーザ周波数掃引信号を生成する方法が提供される。

前記方法は、前記第１のビームを第１および第２の部分に分波し、前記第１の部分を前記非線形光学人工物に提供する工程をさらに備えてもよい。

前記方法は、好ましくは、前記非線形人工物で４光波混合を引き起こして前記第３のビームを生成する工程を備えている。

前記方法は、前記非線形光学人工物の前記出力をフィルタリングして前記第３のビームを抽出する工程をさらに備えてもよい。

本発明の別の態様に係れば、
周波数掃引レーザ源から、第１の測定ビームと、前記第１の測定ビームおよび前記第１の測定ビームの鏡像複製物を含む第２の測定ビームとを受ける工程と、
前記第２の測定ビームを光ファイバに沿って干渉計に導く工程と、
前記光ファイバに沿って逆に戻る光を測定する工程と、
前記第１の測定ビームをさらなる干渉計に導き、そのビームからサンプリング信号を抽出する工程と、
前記サンプリング信号に依存する周波数で前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの前記光をサンプリングする工程とを含む測定方法が提供される。

本発明の別の態様に係れば、
第１の入力部に連結されている周波数掃引レーザ源であって、前記周波数掃引レーザから第１のビームを提供する周波数掃引レーザ源と、
第２の入力部に連結され、第２のビームを提供する固定周波数ポンプレーザ源と、
前記第１および第２のビームを受け、それらを相互変調して前記ポンプレーザ源の前記固定周波数と鏡像関係にある前記第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する非線形光学人工物と、
前記第１および第３のビームを出力する選択的結合要素とを含み、
前記周波数掃引レーザ源および前記固定周波数ポンプレーザ源は、前記第１および第２のビームの前記光学的周波数間隔が前記非線形人工物の前記コヒーレント長条件を満たすように選択すなわち構成されている、二重レーザビーム掃引生成システムが提供される。

本発明の別の態様に係れば、
周波数掃引レーザから第１のビームを提供する工程と、
固定周波数ポンプレーザ源から第２のビームを提供する工程と、
非線形光学人工物中で前記第１および第２のビームを相互変調して前記ポンプレーザ源の前記固定周波数と鏡像関係にある前記第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する工程と、
前記第１および第３のビームを出力する工程とを含み、
前記第１のビームを提供する前記工程と、前記第２のビームを提供する前記工程との１つ以上は、前記第１および第２のビームの前記光学的周波数間隔が非線形人工物のコヒーレント長条件を満たすように、前記固定周波数ポンプレーザ源と前記周波数掃引レーザとの一方または両方を選択すなわち構成する工程をさらに備えている、二重レーザ周波数掃引信号を生成する方法が提供される。

本発明の好ましい実施の形態は、Ｒ：Ｔ分波器を利用して分波比を制御することで光学利得を制御することを目的とする。

一実施の態様において、光ファイバ端反射が、ドリフトを補償するデータとして用いられる。特定の実施の態様では、光ファイバ端から出力可能な、眼に危険が及ばない最大の出力を用いて光学利得を制限してもよい。しかし、図１２、図１４、図１５に示されているような好ましい実施の形態では、２つの周波数ｆ掃引およびｆＦＷＭのための局部発振器（ＬＯ）を抽出することによって光学利得を増大させてもよい。これにより、光ファイバ端からの最大の出力に影響させずに、大出力のＬＯを用いることが可能になり、したがって、安全が維持される。

いくつかの実施の形態では、光ファイバでＬＯおよび測定信号によってとられる経路の長さは一致しない場合がある。このため、測定されたいずれの距離にもオフセットが付加される。光ファイバ端での光の後方反射によって得られる信号を解析することにより、このオフセットを測定することができる。

いくつかの実施の形態では、ｆ掃引およびｆＦＷＭ信号が光ファイバ中を進む光路長は、光ファイバによる分散があるので異なる。この結果、測定は、各信号が異なる長さオフセットを持つ状態でなされることになる。これは、システムに適切な長さの分散補償光ファイバを含ませることによって緩和することができる。あるいは、２つの信号のオフセットの差は、周波数空間でｆ掃引およびｆＦＷＭ信号を整列させることで補償することができ、これにより、光ファイバ端からの後方反射から得られる周波数成分は、図１７に示されているように一致する。

あるいは、後の処理のいくつかの他の形態を適用することができる。

前記方法は、前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの前記サンプリングされた光の周波数を評価する工程と、
その評価から、測定されることになる前記距離を決定する工程とをさらに備えてもよい。

前記方法は、前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの前記サンプリングされた光の高速フーリエ変換を計算する工程と、
フィッティングを実行することによってピークの位置を評価して前記距離を決定する工程とをさらに備えてもよい。

本発明の実施の形態は、１次波長選択レーザ出力から２次光信号を光学的に生成することによって２つの可変波長レーザの設置に関連するコストの問題を解決することを目的とする。好ましい実施の形態では、光学利得の問題は、最適化されたＲ：Ｔ比を持つ分波器を用いてＬＯ信号振幅を制御することで対処し、この変更がもたらす潜在的なドリフトの問題は、データ信号が出力光ファイバ端で発生するように配置することによって解決する。光ファイバ端からの反射は、検出された信号の周波数スペクトルに１次ピークとして現れる。目標までの距離は、目標からの信号と光ファイバ端からの信号の周波数の差から計算することができる。光ファイバ内の応力に起因する信号のドリフトにより、すべての信号の周波数は同様に移動し、これらの信号の相対周波数は図１３に図示されているように一定のままである。

さらに、本発明の実施の形態は、複数の目標が存在する際に運用される動き補償方法を拡張することを目的とする。上記の解析が、１つ以上の目標から得られる信号、すなわち複数の周波数成分を含む信号に適用される場合では、多重化プロセスが、ある信号ビートの各周波数成分として複数のビートをもたらす一方で、他の信号の各成分により、真正の信号を潜在的に不明瞭にするか真正の信号と干渉する複数の不必要な周波数が生じる。

好ましい実施の形態は、以下のようにしてこれを解決する。
１．両方の信号のＦＦＴを計算する。
２．各目標に関連する周波数成分を特定する。
３．目標毎に以下を行なう。
ａ．周波数領域でウインドウを適用することで各信号の信号成分を分離する。
ｂ．周波数領域で２つの信号を畳み込む。
ｃ．畳み込まれた信号の大きさのピークの位置を粗く特定する。例えば、最も高いデータポイントを見つけることで位置を特定する。
ｄ．その後、代表的なモデル（例えばｓｉｎ２）をピークの周囲のデータに当てはめ、ピーク中心を求めることで、ピークの位置を精密に特定する。

上記のアルゴリズムは、変更して実施することができ、例えば、いくつかの工程を周波数領域ではなく時間領域で実施することができる。

実施の形態は、信号レベルおよびコストに関して二重レーザ周波数掃引干渉法（二重掃引ＦＳＩ）を最適化して、同時に複数の目標に関するドップラー誤差のない検出を可能にすることを目的とする。実施の形態は、動きに起因する（ドップラー偏位）誤差に関して信号完全性を改善し、ＳＮＲ（信号対雑音比）を改善することで動作範囲を拡大することを目的とする。実施の形態は、国際公開第２０１３／１４４６４８号で提案されているようなシステムと組み合わせて使われるとき、特に有効である場合がある。

本発明の各実施の形態では、二重掃引ＦＳＩの動作は、単一の周波数掃引レーザ装置を用いて可能になる。４光波混合（ＦＷＭ）として知られている現象によって２次掃引光学的周波数を生成する光学配置を利用する。ＦＷＭ生成掃引光学的周波数が２つ目の周波数掃引レーザ源からの出力の代わりに用いられ、２つ目の周波数掃引レーザ源はもはや必要とされない。これは様々な利点をもたらす。システムは、従来の二重掃引ＦＳＩシステムよりも非常に安価である。２つの周波数掃引レーザ源が使われるときに影響する同期の問題も防止される。２周波数掃引レーザを有するシステムと比較すると、測定値を取得する際の様々な仕様を含む利点がさらにある。

本発明の実施の形態では、周波数掃引を１つ提供するのに単一の可変波長レーザを用いることができ、ＦＷＭ非線形効果を用いて２次掃引を生成する。ＦＷＭ生成プロセスの性質から、２次掃引は、常に、異なる周波数の１次掃引の正確な鏡像複製物になる。この実施の形態のコストは、同期二重レーザシステムよりもかなり低い。この実施の形態には、さらなる同期が必要ないという実施上の利点があり、この利点により、実施の形態が簡略化され、信頼性が増す。

なお、混乱を避けるため、この文書では、「光学的周波数」に多くの参照符号が付される。この用語は、電磁波の周波数ｆ＝ｃ／λを指し、ここで、ｃは光速であり、λは電磁波の波長である。この用語は、電磁波のいかなる種類の変調も意味しない。この用語は、２つの光学的周波数ｆ１およびｆ２の光を規定することができ、ｆ１は可変周波数であり、ｆ２は、固定周波数または可変周波数である。

本発明の実施の形態では、光学配置は、周波数掃引レーザ源およびポンプレーザ源（ｆ２）から光（ｆ１）を受け、この光は、非線形光学的媒体を通過するように導かれ、この結果、２つのさらなる光学的周波数（ｆ３＝２ｆ１−ｆ２およびｆ４＝２ｆ２−ｆ１）が４光波混合によって生成される。

測定システムでｆ１およびｆ３またはｆ４を利用することにより、二重掃引周波数走査干渉法を実行することができる。

好ましい実施の形態では、周波数掃引レーザ源からの光は少なくとも２つの経路に分波され、一方は、鏡像複製物を生成する４光波混合プロセスで用いられ、他方は、二重レーザ周波数掃引干渉法に用いられる２つの供給源のうちの１つとして確保される。

好ましい実施の形態では、測定システムは、光学配置の１つ以上の出力部から光を受け、その光は１つ以上の光検出器に向かう。システムにもたらされた２つのレーザ周波数の形で受けた信号は、分離されて個々に扱われる。

好ましい実施の形態では、解析システムは、受けた信号を合波して、１つ以上の光路長が変化することに影響を受けない手法で測定システム中の少なくとも１対の光路の経路長の差を計算する。

好都合なことに、本発明の実施の形態により、供給される周波数の鏡像複製物の生成が可能になる。鏡像複製物を２つの個々の供給源を用いて生成するのは極めて複雑である。その理由は、個々の光供給源の各々の仕様にわずかな差があっても、結果として完全な複製物が得られなくなるからである。

好都合なことに、供給された周波数は鏡像複製物であるので、検出レーザ周波数の分離および取り扱いは簡略化される。信号の一方から得られるクロックおよびデータは、本質的に他方に有効である。

周波数スキャナレーザに適用されるＦＷＭを用いることで、１次掃引の同期した鏡像複製物を生成することができる。本発明の実施の形態により、有効な２次掃引信号、すなわち１次の実質的に完全な複製物（任意のわずかな欠陥物または不完全物まで含む）を生成することができる。これを（ピコ秒未満の）ＦＷＭの速さで実行することができるという利点がある。この精度の鏡像複製物の生成は２つの個々の掃引源を用いて達成することはできないと考えられる。また、２つの個々の掃引源の動作はこのような速さで運用することはできないと考えられる。最も洗練された補償装置および技術でさえ、ＦＷＭ装置を通じて生成される複製物の正確さに匹敵し得ないと考えられる。結果として、この生成された信号を用いる測定の質および精度は、既存の二重掃引源システムよりも改善されると期待される。さらにまた、測定結果のノイズは、他のシステムよりも低減されると期待される。

供給される周波数の鏡像複製物の生成の結果として、測定および検出のために本発明の実施の形態で用いられる構成要素および装置が相当程度に単純化されるという利点がある。単純化されるのは、単一の掃引手法で線形化およびクロック生成に用いられる同じセットアップが、鏡像複製物の厳密性のために、ＦＷＭ２次掃引を用いる本発明の実施の形態に有効であるからである。鏡像複製物を提供しない他の二重掃引の場合は、必要な要素の数は極めて多く、その複雑さは極めて大きい（一般的には、２倍の数の受信器は、２倍の周波数で動作する）。

本発明の実施の形態は費用効果が高い。その理由の少なくとも一部は、完全に光学的に変化可能な周波数源（および適切に信号を同期させることが必要な装置）を固定源、受動的要素および非線形装置に置き換えることにある。本発明の実施の形態は、２つの個々の掃引源の比較例と比較すると、実質的なコスト削減を示す。その理由は、検出部および同期部の複雑さが低減されているからだけでなく、掃引レーザ源がシステム中で最も高価な構成要素であり、価格の差が大きいからである。ＦＷＭ生成システムを構築するのに必要な構成要素の価格は、周波数掃引レーザの価格よりも少なくとも４倍低いと期待される（購入コストのみを考慮する）。この見積もりは、市販品であり、単品であり、台上で用いる要素を使用することを基準にしている。ＦＷＭ生成で用いられる装置がモジュールの形態で集積され、量産される場合、価格差はさらに大きくなると予想される。

（所定の遅延の光ファイバを１次被掃引信号（original swept signal）に加えて、ＦＷＭ生成信号を１次被掃引信号と同時に出力部で提供するのを可能にすることの他に）同期する必要はなく、しかも線形性のための二重補償を行なう必要はない。これにより、検出プロセスはより単純になり、そのうえさらに装置のコストが下がる。

１次掃引レーザ源および生成された鏡像複製物は本質的に互いに追跡し合うので、この正確な追跡により、サンプリングまたは再サンプリングのような動作が極めて単純かつ迅速になる。

本発明の実施の形態の規模を変更することも可能である。また、本発明の実施の形態は柔軟性も持つ。この場合もＦＷＭの性質に起因して、ＦＷＭはいかなる掃引速度の１次信号に対しても動作するので、光学配置は、異なる周波数掃引レーザ源を用いて運用することができる。これに対して、二重掃引源の解決策では、供給源の同期に用いられる要素の変更を必要とする。
本発明の実施の形態は、以下の添付の図面に関して、単に例としてここに記載される。

周波数走査干渉法システムの図である。 図１のシステムの受信器への到達時間に対する反射周波数をプロットするグラフである。 本発明の実施の形態に係る光学配置を含む掃引生成システムの概略図である。 図３の光学配置によって生成される周波数の図である。 時刻に対する掃引レーザの光学的周波数をプロットするグラフである。 本発明の実施の形態に係る測定システムの態様を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る測定システムの態様を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る測定システムの態様を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る測定システムの態様を示す概略図である。 １００回の一連の測定に対する移動反射目標の測定距離の実験結果をプロットする一連のグラフである。 入力および出力ビームを分波するのに用いられるサーキュレータとともにビーム分波器として光ファイバの端部を用いてどのように干渉計を形成することができるかを示す。 光学利得に関する制御を可能にするために、分波比Ｒ：Ｔを持つ分波器を含ませることで図１１の基本的なセットアップをどのように改良することができるかを示す。このセットアップにより、ＳＮＲを改善するために調整して検出することも容易になる。 図１２に示されているセットアップの光ファイバを通る光路にドリフトがある場合に、光ファイバ端から受けるデータ信号により、安定した測定データがどのようにもたらされるかを示す。 １次掃引とＦＷＭ生成掃引を光学的に合波・分波して、出力光ファイバ端からのデータ反射とともに１つ以上の目標からの信号をどのように生成することができるかを示す。 図１４に示されている手法の別の例を表わす。ＥＤＦＡ増幅器をＬＯ通路に含ませてＬＯ信号を上げる。 複数のセンサに同じレーザ源信号をどのように供給することができるかを示す。 例えばｆ掃引に由来する一方の信号を、ｆＦＷＭに由来する他方の信号に対して周波数偏位させることによって、光ファイバの分散をどのように補償することができるかを示す。

図３は、本発明の実施形態に係る光学配置を含む掃引生成システム１００の概略図である。

掃引生成システム１００は、第１の入力部１２０、第２の入力部１３０、非線形光学人工物１４０、および出力部１５０を有する光学配置１１０を含む。

第１の入力部１２０は、周波数掃引レーザ１８０から第１のビーム１０１を受けるように配置されている。第２の入力部１３０は、固定周波数ポンプレーザ源１９０から第２のビーム１０２を受けるように配置されている。第１のビーム１０１と第２のビーム１０２との光学的周波数間隔は、非線形光学人工物１４０のコヒーレント長条件を満たす。

非線形光学人工物１４０は、第１のビーム１０１および第２のビーム１０２を受けて４光波混合により相互変調し、第３のビーム１０３を生成するように配置されており、第３のビーム１０３は、第１のビーム１０１の反転複製物であり、それはポンプレーザ源１９０の固定周波数と鏡像関係にある。

第１のビーム１０１、第２のビーム１０２、および第３のビーム１０３は、非線形光学人工物１４０から出力される。

好ましくは、第１および第２のビーム１０１，１０２は、第３のビームが光学配置の出力部１５０で出力される前にフィルタ１６０で取り除かれる。

好ましくは、第１のビーム１０１が非線形光学人工物１４０に入射する前にこれを分波器１７０で分波することにより、第１のビーム１０１’の複製物を確保し、これを出力部１５０で第３のビーム１０３と合波させることができる。好ましくは、第１のビームの複製物をもう１回分波して、第１のビーム１０１’の複製物と第３のビーム１０３との合波ビームとともに第２の複製物１０１’’を出力する。

合波された第１および第３のビームを提供し、さらに第１のビームを提供することで、測定技術を以下の記載のように使用することが可能になる。しかし、第１のビームと第３のビームとの合波は後に行なうことができることはいうまでもない。また、第１のビームと第３のビームを合波させるものは、第１のビームと第１のビームの反転複製物である第３のビームを単に出力する光学配置の一部である必要はないことはいうまでもない。

使用し得る非線形人工物は、例えば、半導体光学増幅器（ＳＯＡ）、非線形光ファイバおよび非線形導波管を含む。使用し得るＳＯＡは例えば、Ｋａｍｅｌｉａｎ社の１５５０ｎｍ非線形ＳＯＡ(http://www.kamelian.com/data/nlsoa_ds.pdf)である。使用し得る非線形光ファイバの例は、ＯＦＳファイテル社のＯＦＳ高非線形光ファイバモジュール(http://ofscatalog.specialtyphotonics.com/viewitems/non-standard-optical-fibers/highly-non-linear-fiber-modules)である。

本発明の実施の形態は、周波数掃引レーザ１８０と固定周波数ポンプレーザ源１９０との間で４光波混合（ＦＷＭ）として知られているものを起こす非線形光学人工物１４０の特性を利用する。ＦＷＭは、２つの光学的周波数を非線形媒体に通し、別の周波数を発生させる光学現象である。

固定周波数ポンプレーザ源１９０が固定周波数レーザである必要はないことはいうまでもない。すなわち、固定周波数ポンプレーザ源１９０を、例えば、固定周波数で操作される可変周波数レーザ装置にしてもよい。

ＦＷＭは、非線形媒体での異なる３つの光学波長間の相互作用が他の波長を生成する非線形光学の相互変調現象である。光学的周波数ｆｌ，ｆ２およびｆ３が与えられると、この効果により、これら３つの結合物（和および差）である別の周波数のピークが生じる。主ピークはｆｉｊｋ＝ｆｉ＋ｆｊ−ｆｋに現れる（ここでｉ，ｊはｋと等しくない）。

この効果の具体的変形例は、縮退４光波混合（ＤＦＷＭ）と呼ばれており、好ましくは、この変形例は本発明の実施の形態で用いられる。この具体的事例では、この効果は、周波数が２つだけ（ｉ＝ｊ＝１、ｋ＝２）存在するときに起こり、この場合、主ピークは２ｆ１−ｆ２および２ｆ２−ｆ１にある。特定の市販の非線形装置は、上記で強調されているようなこの効果を利用して大きくしているが、これらのピークは、多くの場合、光学系では有害であると考えられている。

縮退ＦＷＭが本発明の好ましい実施の形態に用いられる一方で、３つ以上の周波数が存在する場合に起こるＦＷＭを用いることもできる。このような配置では、レーザ源を１つ以上追加することが必要となる。

本発明の実施の形態では、変調なしにこの変換効果を利用して、周波数が固定されている（かつ安価である）別のレーザ源をポンプとして用いて１次掃引レーザビームの複製物を生成する。図４は、固定レーザポンプおよび掃引レーザ源のピークを含むピークの分布を示す。固定レーザポンプのピークは、中心周波数（ｆ固定）に元からあり、掃引レーザ源（ｆ掃引）は「ｆ掃引開始」から「ｆ掃引停止」まで所望の比率で連続的に周波数を変える。

どちらの信号も、非線形光学人工物１４０に供給され、非線形光学人工物１４０は、１次信号と、ｆＦＷＭ＝２固定−ｆ掃引の周波数成分とを出力する。第３の移動ピークが２ｆ掃引−ｆ固定に存在するが、ただし、これは、光学フィルタで取り除かれ、図４に示されているような成分のみを残すことができる。この成分は、固定周波数と鏡像関係にある１次掃引源の厳密な反転複製物である。この２次掃引は、１次周波数掃引レーザの周波数変化率の変化を厳密に再現する。厳密な複製物であるので、さらなる同期を要しないという利点がある。

掃引複製物の効果的な生成を達成するために、ＦＷＭの存在に好都合ないくつかの特性が光学配置１１０に存在する。ＦＷＭ効果は、カー効果(Kerr effect)と関連する非線形現象であり、生成される新しい周波数が、各入力光信号の仕様（両入力光信号の周波数、出力など）によって引き起こされる屈折率変調の結果として現れることを意味する。ＦＷＭは材料のχ（３）係数に関係し、したがって、非線形性を生じさせるのに用いられる任意の構成要素（光ファイバ、半導体、導波管など）がこの仕様に関して高い価値を持つのが好ましい。

非線形人工物は、第１および第２のビームの光学的周波数間隔が非線形人工物のコヒーレント長条件を満たすように選択すなわち構成される（すなわち、人工物自身がそのような性質を持っている、性質を持つように調整される、あるいは性質を持つように配置すなわち構成される）。好ましくは、ポンプレーザ源および周波数掃引レーザ源に関して、各入力の光学的周波数間隔を非線形人工物のコヒーレント長閾値未満にする必要があり、この閾値については、各々の装置の群屈折率分散(group index dispersion)値を確保するために、入力を同じ波数に維持することが必要である。

非線形媒体中で大きなＦＷＭ効果を生じさせるために、両入力信号の波数は実質的に一致することが必要である。これらの入力の光学的周波数の所定の隔たりに対して装置の最大長さ（コヒーレント長と呼ばれる）が存在し、変換効率は最大長さを超えると大きく減少する。このコヒーレント長条件は、非線形人工物に依存する。用いられる非線形人工物の特性に基づいて、この条件により入力の周波数間隔が制限され、したがって、ＦＷＭの変換範囲が制限される。逆に、入力の周波数間隔は、用いられる人工物のコヒーレント長条件を考慮して選択、整調、または構成されてもよい。

コヒーレント長条件および光学的周波数間隔に関する説明は、O.Aso、M.Tadakuma、S.Namiki「光ファイバにおける４光波混合とその応用（Four-Wave Mixing in Optical Fibers and Its Applications）」『Furukawa review』第１９号，２０００年，６３〜６８頁、「短い光ファイバにおける広帯域４光波混合生成（Boradband four-wave mixing generation in short optical fibres）」『Electronics Letters』第３６巻，第８号，７０９〜７１１頁、Diez S.、Schmidt C.、Ludwig R.、Weber H.G.、Obermann K.、Kindt S.、Koltchanov I.、Petermann K.「周波数変換および高速光スイッチングのための半導体光増幅器における４光波混合（Four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for frequency conversion and fast optical switching）」『IEEE Journal』第３巻，第５号，１１３１および１１４５頁，１９９７年１０月の「量子電子工学におけるトピックス(Selected Topics in Quantum Electronics)」に見ることができ、各々の内容は参照によりこの明細書に含まれる。

当然だが、人工物および／または２つのレーザ源の一方または両方を適切に選択／構成／整調してコヒーレント長条件を満たすことができる。

コヒーレント長条件により、信号の複製物を生成することが可能な波長範囲が特定される。実施の形態によっては、例えば、長い構成要素（極めて長い半導体装置またはキロメートル長の光ファイバ）を用いるときは、広範囲の周波数間隔操作を確実にするためにさらに改良する必要がある場合がある。同様のことが偏光に対して起こりるが、ＦＷＭは入力のいかなる偏光に対しても起こるので、ＦＷＭは偏光に依存する効果ではない。しかし、すべての入力の偏光は、より効率的に効果を生じさせるために同じ状態にある必要がある（入力の偏光状態の違いは、変換出力の光出力損失を引き起こす）。短い装置のために偏光を（例えば、両方の状態を一致させるために２つの信号のうちの１つの入力部で偏光コントローラを用いて）再度調節することは、容易であるが、しかし、長い光ファイバでは容易ではない。長い光ファイバでは、波長の複屈折依存性により、光ファイバ中を所定距離だけ進んだ後にこれらの入力の偏光が別々になる場合がある。

半導体光増幅器（ＳＯＡ）は、そこから出力される４つの光学的周波数を持つ。掃引レーザの光学的周波数が掃引されるとき、これらの周波数は図５に示すように時刻とともに変化する。ｆ 掃引およびｆ ＦＷＭのみからなる出力を得ることが望ましい。これを行なう１つの方法は、光学フィルタを経てＳＯＡの出力を送ることである。この光学フィルタは、ｆ 固定以上のすべての光学的周波数を除いて、ｆ ＦＷＭのみを分離する。その後、ｆ ＦＷＭはｆ 掃引と合波されてもよい。他の実施の形態は、同じ効果を達成するために光学フィルタ、合波器などの様々な組み合せを用いて実施可能であり、例えば、ＳＯＡの出力を用いるか、ｆ 固定およびｆ ｄｂｌ（ｆ ｄｂｌ＝（２＊ｆ 掃引）−ｆ 固定）を除去するフィルタを使用して実施可能である。しかし、ｆ ｄｂｌとｆ 掃引の周波数範囲が重なるときには理想的でない。これはｆ 掃引の掃引範囲を別に選択することで避けることができるが、掃引範囲が限定され、測定精度が低下する。

図６は、本発明の実施の形態に係る測定システムの概略図である。測定システムは３つの段階に分割されるが、段階の数は増減することができることはいうまでもない。

第１の部分（掃引生成システム１００）は、上記のような掃引光学的周波数を含む光を生成する。この光を第２の部分（測定システム２００）に供給し、第２の部分では測定される光学系にこの光を送り、この光学系からの出力を検出する。測定システム３００は最後の部分（データ解析システム３００）にデータを提供し、最後の部分はこのデータを処理し、最終的な測定結果（距離測定値）を計算する。

図７は、図６の干渉源１００の実施の形態の概略図である。

掃引レーザ１８０からの光は光カプラにより分波され、信号の一方の部分１０１はＦＷＭ変換を提供するのに用いられ、他方の部分１０１’は後のユーザのために確保される。固定レーザ１９０は、中心波長で操作される。固定レーザ１９０の出力の偏光は好ましくはパドルコントローラ１９５により制御され、固定レーザ１９０の出力は、ポンプを供給する。

非線形媒体に入力される２つの信号（固定および掃引）は、好ましくは実質的に同じ状態の偏光を持つ。この方法で、ＦＷＭ効果は最大になる。これらの入力は合波して非線形人工物１４０に入射する。この場合、特に半導体光増幅器（ＳＯＡ）が非線形効果（大きいχ（３））を大きくするように選択ないしは設計される。ＳＯＡの長さは、入力の最大周波数間隔を確保するためにコヒーレント長未満である。非線形人工物の利得により、入力を上げておく必要はあまりなくなる。ＳＯＡ出力部では、１次信号および生成された新しいピークが提供される。２次反転掃引ピークのみが残るように光学フィルタ１６０が用いられる。掃引する信号および固定入力の両方を処分することにより、変換されたＦＷＭのみが出力に見られる。最後に、ＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバ増幅器）増幅器１６５を用いて１次掃引と同程度の値まで出力信号のレベルを上げる。この手法により、二重ＦＳＩ用途に必要な所望の２つの反転掃引信号が生成される。

このセットアップには、長距離通信Ｃバンド（波長は１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍにある）での動作に適する構成要素を用いるが、Ｃバンドは、新しい波長範囲に適する特性を持つ非線形装置を用いて他の光学的周波数に変換することができる。変換することができるのは、ＦＷＭ効果が多くの光学帯域に存在するからであり、これらの光学帯域は、所望の仕様（χ（３）が大きい、コヒーレント長条件が満たされる、偏光が一致する）（以下の「座標分解能の増大」を参照）を持つ材料を見つけることができる帯域にある。したがって、特定のＣバンド成分を変更するのと同様の設計を他の波長範囲で運用される干渉法の用途に用いることができる。これにより、二重掃引生成を採用して光干渉断層撮影（ＯＣＴ）または表面の評価のような、距離評価以外の他の用途が拡充される可能性が開かれると考えられる。

図示の掃引生成システム１００は、光ファイバを介して測定システム２００に２つの光出力を提供する。一方の光ファイバはｆ掃引のみを含み、他法はｆ掃引およびｆＦＷＭを含む。

図８は、図６の測定システム２００の実施の形態の概略図である。掃引生成システム１００は、光ファイバ（図の左上に示されている）を介してｆ掃引およびｆＦＷＭを含む光を提供する。この光ファイバは、光ファイバサーキュレータ２１０を介して干渉計２２０内に光を導く。測定される距離はこの干渉計２２０の光路差であり、この光路差は、測定を必要とする所定の物理的長さに対応するように扱われる。この例では、干渉計２２０は２つの光路２２１、２２２によって形成される。研磨された平坦な光ファイバ端２２３に達する光は約４％反射され、反射光は同じ光ファイバを逆に戻る。光の残りの部分は自由空間に出る。その一部は再帰反射体２３０（この例では、屈折率が２であるガラス球が再帰反射体として働く）で後方に反射して光ファイバに入射する。

これらの２つの経路の干渉に起因する光出力は、光ファイバを逆に進み、光ファイバサーキュレータ２１０により赤／青フィルタ２４０に導かれる。フィルタ２４０はｆ掃引とｆＦＷＭを別々の光ファイバに分離し、光ファイバの各々はフォトダイオード２５０に自身の光を導く。各フォトダイオード信号は、ＡＤＣ２９５によって記録される。

図の下半分では、周波数ｆ掃引の光を含む光ファイバ２６０が、この光を、光ファイバマッハツェンダ干渉計２７０を経て１対の調整済みフォトダイオード２８０に導く。１対のフォトダイオード２８０の差分出力はゼロ比較器２９０に送られ、ゼロ比較器２９０はＡＤＣ２９５に送られるトリガ信号を生成する。ＡＤＣは、このトリガ信号によって制御される各時刻にサンプルを記録する。これにより、（典型的にそうであるが）ｆ掃引の変化率が変動するとしても、データが等間隔のｆ掃引でサンプリングされる（ｆ掃引およびｆＦＷＭの一方が他方の反転として変化するので、結果として、等間隔のｆＦＷＭでもサンプリングされる）ことが確実になる。

測定をするには、ＡＤＣがマッハツェンダ干渉計で制御されるサンプリング時間にデータを記録する間に、周波数掃引レーザが所定の範囲にわたってその出力周波数ｆ掃引を掃引する。

図９は、図６のデータ解析システムの概略図である。ｆ掃引およびｆＦＷＭからの干渉信号を、好ましくは帯域通過フィルタ３１０に通して、増幅させる。これは、測定中に目標の運動に起因する信号に対する外乱を除去することが分かっている。その結果得られた信号は、測定される距離に比例する周波数を持つ正弦波信号を含む。多くの既存の周波数評価アルゴリズムのいずれも、この周波数、したがって、距離を測定するのに用いられてもよい。例えば、信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）３２０を計算してもよく、目的の正弦波信号に対応するピークの位置を多項式フィッティング（曲線近似）または他のフィッティング技術によって評価してもよい。

他のデータ解析方法、例えば英国特許出願公開第１０１３８９６．４号に記載されている「ダイナミックＦＳＩ」方法を用いてもよい。英国特許出願公開第１０１３８９６．４号の主題は参照によりこの明細書に含まれる。

図１４は、図６の測定システム２００の別の実施の形態を示す。１次可変波長レーザ出力ｆ掃引とＦＷＭによって生成された鏡像信号ｆＦＷＭを光学的に合波し、視野にある１つ以上の目標までの距離を測定するのに用いる。１次およびＦＷＭ生成掃引からの光は、任意にＥＤＦＡによって増幅される。その後、ＥＤＦＡ出力し合波し、合波器／分波器を用いてＲ：Ｔの分波比で分波する。Ｒ部分は局部発振器を形成し、局部発振器は、後に、２セットの調整済みの検出器で個々の信号を生成するのに用いる。Ｔ部分を、サーキュレータに渡す。サーキュレータ出力を、合波された１次ｆ掃引およびＦＷＭ生成光ｆＦＷＭの大部分を目標に向かって伝達する光ファイバにカップリングする。これらの信号のごくわずかが、光ファイバ端で後方に反射してデータ信号を提供し、このデータ信号に対して目標距離を計測する。透過光は１つ以上の目標で反射され、光ファイバに戻る。

サーキュレータは、目標と光ファイバ端からの反射光（１次掃引およびＦＷＭ生成掃引）を合波器に出力し、合波器は、これらの信号を予め取り出したＬＯ信号と合波する。その後、１対のフィルタが１次掃引信号、ＦＷＭ生成信号およびこれらの信号のそれぞれのＬＯを切り離す。その後、これらの光信号を、これらの信号に対応するＬＯと個別に混合し、１対の調整済みの検出器で検出する。２つの測定ビームが同じ経路をたどり、２つのＬＯビームが最後の合波器まで（個々の）共通の経路をたどることにより、どちらの経路の光ファイバに起因する遅延も、１次信号およびＦＷＭ生成信号に由来する信号に共通であることが、この構成により確実になる。フィルタの後で、各々の信号およびそのＬＯは共通の経路をたどるので、光ファイバによって引き起こされる変化は共通し、したがって、距離測定誤差を引き起こさない。

図１３は、複数の検出器のうちの１つから得られる周波数スペクトルの例を示す。左側のピークは光ファイバ端からの反射に対応する。その絶対周波数は、光ファイバ端から反射される光とＬＯビームが進んだ経路との光路長差に対応する。第２のピークは目標に対応する。その周波数は、目標から反射される光とＬＯビームが進んだ経路との光路長差に対応する。ＬＯビームが進んだ経路は両方の信号に共通なので、ＬＯビームの光路長の変化は両方の信号の周波数偏位を表わす。ただし、両方の信号の周波数差は変わらない。

図１５は、図６の測定システム２００の別の実施の形態を示す。この場合も入力信号ｆ掃引およびｆＦＷＭを、合波する前に任意に増幅してもよく、ＬＯビームはさらなるＥＤＦＡによってさらに増幅され、システムの光学利得がさらに増大する。

図１６は、図１４および図１５の第１の合波器／分波器がどのように再構成されて複数のセンサを供給することができるのかを示す。ＥＤＦＡによる任意の増幅の後、ｆ掃引およびｆＦＷＭは、２：Ｎ合波器／分波器を用いて合波／分波される。その後、合波器／分波器の各出力は、Ｒ：Ｔ分波器、サーキュレータ、５０：５０合波器、２つのフィルタおよび調整済みの検出器の対を含む個々のセンサに供給される。随意にＥＤＦＡをＬＯ経路に含ませてもよい。

図１７は、２つの掃引のために取得される２つの信号の間の差分オフセットを、一方の信号を他方に対して周波数偏位させることによってどのように補償することができるかを示す。補償により、光ファイバの端部に由来する信号の周波数は整列する。

別の光学的構成を用いるさらなる実施の形態が実施可能である。さらにまた、図に示されている合波器、分波器、フィルタ、サーキュレータおよび光ファイバのいくつかまたはすべては、光ファイバ装置の代わりに平面導波路回路を用いて実装することができる。

実験結果
上記に提示されているものに対応するセットアップを構築し、生成されたＦＷＭ掃引および１次掃引を、ＦＷＭ生成掃引が１次の完全な鏡像複製物である状態で実際の距離測定実験にて同時に試験した。

同じ移動目標に対する両方の掃引の挙動は、対向する正弦波の掃引率を用いるときには当然であるが、各掃引の反対方向のビート周波数の変位を表わす。これにより、目標の振動を除去するのに掃引を用いることができることが分かる。さらに、測定データを処理することにより、振動で生じる信号の広がりが除去されることが分かった。

図１０ａは、連続的になされた１００回の一連の測定に対する、移動反射目標の測定距離の３つの異なるプロットを示す。３つの線は、３つの異なる解析方法を用いて計算された距離に対応する。最も下の線および最も上の線は、単一レーザＦＳＩ解析方法を用いて計算した場合の距離を示す。最も下の線は、可変波長レーザによるデータのみを用いて計算した場合の距離を示す。最も上の線は、ＦＷＭ生成光によるデータのみを用いて計算した場合の距離を示す。真ん中の線は、二重掃引ＦＳＩの記載箇所で記載されている二重掃引ＦＳＩ解析方法を用いて計算した場合の距離を示す。

１００回の測定の間、目標は１つの静止位置から別の位置に移動させる。移動している状態で、単一掃引に対する二重掃引の長所を明確に見ることができる。目標が移動し始めるときに１次およびＦＷＭ複製物では測定誤差が生じ始める（しかも、相当な量、数十ｍｍのオーダーで誤差が生じる）一方で、結合測定解析では、移動状態にある間に目標の距離の正確な評価が得られる。さらに、移動目標の振動が単一掃引の結果に見られる。黒および赤の線は、脈動を示し、二重掃引解析による緑の線よりもかなり滑らかさが劣る。

図１０ｂは、３つの目標が３つの異なる速さで移動する以外、図１０ａに類似する結果を示す。

本明細書とともに提出される要約書の内容と、この出願が主張する優先権に係る英国特許出願第１４１１２０６．４号の内容は、参照によりこの明細書に含まれる。

Claims (18)

1. 周波数掃引レーザから第１のビームを受ける第１の入力部と、
   固定周波数ポンプレーザ源から第２のビームを受ける第２の入力部と、
   前記第１および第２のビームを受け、それらを相互変調して前記ポンプレーザ源の前記固定周波数と鏡像関係にある前記第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する非線形光学人工物と、
   前記第１および第３のビームを出力する選択的結合要素とを含み、
   前記非線形人工物は、前記第１および第２のビームの光学的周波数間隔が前記非線形人工物のコヒーレント長条件を満たすように選択すなわち構成されている光学配置。
2. 前記第１のビームを受け、そのビームを第１および第２の部分に分波し、前記第１の部分を前記非線形光学人工物に提供する第１のカプラをさらに含む請求項１に記載の光学配置。
3. 前記非線形光学人工物は半導体光増幅器を備えている請求項１または２に記載の光学配置。
4. 前記非線形人工物は４光波混合を引き起こして前記第３のビームを生成する請求項１、２または３に記載の光学配置。
5. 前記非線形光学人工物の出力から前記第３のビームを抽出するフィルタをさらに含む請求項３または４に記載の光学配置。
6. 周波数掃引レーザ源と、ポンプレーザ源と、請求項１〜５のいずれかに記載の光学配置とを含み、前記周波数掃引レーザは前記第１の入力部に連結されており、前記ポンプレーザ源は前記第２の入力部に連結されている、二重レーザビーム掃引生成システム。
7. 第１の入力部に連結されている周波数掃引レーザ源であって、前記周波数掃引レーザから第１のビームを提供する周波数掃引レーザ源と、
   第２の入力部に連結され、第２のビームを提供する固定周波数ポンプレーザ源と、
   前記第１および第２のビームを受け、それらを相互変調して前記ポンプレーザ源の固定周波数と鏡像関係にある前記第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する非線形光学人工物と、
   前記第１および第３のビームを出力する選択的結合要素とを含み、
   前記周波数掃引レーザ源および前記固定周波数ポンプレーザ源は、前記第１および第２のビームの光学的周波数間隔が前記非線形人工物のコヒーレント長条件を満たすように選択すなわち構成されている、二重レーザビーム掃引生成システム。
8. 周波数掃引レーザ源から、第１の測定ビームと、前記第１の測定ビームおよび前記第１の測定ビームの鏡像複製物を含む第２の測定ビームとを受けるように動作可能であり、
   前記第２の測定ビームを光ファイバに沿って干渉計に導き、前記光ファイバに沿って逆に戻る光を測定するように配置されており、
   前記第１の測定ビームをさらなる干渉計に導き、そのビームからサンプリング信号を抽出するようにさらに配置されており、前記サンプリング信号に依存する周波数で前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの光をサンプリングするように配置されている測定システム。
9. 前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの前記サンプリングされた光の周波数を評価し、その評価結果から測定されることになる距離を決定するように配置されているデータ解析システムをさらに含む請求項８に記載の測定システム。
10. 前記データ解析システムは、高速フーリエ変換を計算し、フィッティングを実行することによってピークの位置を評価して前記距離を決定するように配置されている請求項９に記載の測定システム。
11. 周波数掃引レーザから第１のビームを受ける工程と、
    固定周波数ポンプレーザ源から第２のビームを受ける工程と、
    非線形光学人工物中で前記第１および第２のビームを相互変調して前記ポンプレーザ源の固定周波数と鏡像関係にある前記第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する工程と、
    前記第１および第３のビームを出力する工程とを含み、
    非線形人工物は、前記第１および第２のビームの光学的周波数間隔が前記非線形人工物のコヒーレント長条件を満たすように選択すなわち構成されている、二重レーザ周波数掃引信号を生成する方法。
12. 前記第１のビームを第１および第２の部分に分波し、前記第１の部分を前記非線形光学人工物に提供する工程をさらに含む請求項１１に記載の方法。
13. 前記非線形人工物で４光波混合を引き起こして前記第３のビームを生成する工程を含む請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記非線形光学人工物の出力をフィルタリングして前記第３のビームを抽出する工程をさらに含む請求項１１、１２または１３に記載の方法。
15. 周波数掃引レーザ源から、第１の測定ビームと、前記第１の測定ビームおよび前記第１の測定ビームの鏡像複製物を含む第２の測定ビームとを受ける工程と、
    前記第２の測定ビームを光ファイバに沿って干渉計に導く工程と、
    前記光ファイバに沿って逆に戻る光を測定する工程と、
    前記第１の測定ビームをさらなる干渉計に導き、そのビームからサンプリング信号を抽出する工程と、
    前記サンプリング信号に依存する周波数で前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの光をサンプリングする工程とを含む測定方法。
16. 前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの前記サンプリングされた光の周波数を評価する工程と、
    その評価から、測定されることになる距離を決定する工程とをさらに含む請求項１５に記載の測定方法。
17. 前記光ファイバに沿って逆に戻る前記第２の測定ビームの前記サンプリングされた光の高速フーリエ変換を計算する工程と、
    フィッティングを実行することによってピークの位置を評価して前記距離を決定する工程とをさらに含む請求項１６に記載の測定方法。
18. 周波数掃引レーザから第１のビームを提供する工程と、
    固定周波数ポンプレーザ源から第２のビームを提供する工程と、
    非線形光学人工物中で前記第１および第２のビームを相互変調して前記ポンプレーザ源の固定周波数と鏡像関係にある前記第１のビームの反転複製物である第３のビームを生成する工程と、
    前記第１および第３のビームを出力する工程とを含み、
    前記第１のビームを提供する工程と、前記第２のビームを提供する工程との１つ以上は、前記第１および第２のビームの光学的周波数間隔が非線形人工物のコヒーレント長条件を満たすように、前記固定周波数ポンプレーザ源と前記周波数掃引レーザとの一方または両方を選択すなわち構成する工程をさらに備えている、二重レーザ周波数掃引信号を生成する方法。