JP2018169265A - Distance measuring device and distance measuring method - Google Patents

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恭平 林
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恭平 林
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Abstract

To provide a distance measuring device and a distance measuring method with which it is possible to carry out long range and high accuracy distance measurement at low cost by a compact configuration.SOLUTION: A distance measuring device comprises: a first light source for emitting measurement light of a first repetition frequency; a second light source for emitting reference light of a second repetition frequency different from the first repetition frequency; an interference signal detection unit for detecting an interference signal of first reflected light of the measurement light reflected at a reference plane, second reflected light of the measurement light reflected at a measurement object and the reference light emitted from the second light source; an envelope waveform generation unit for generating the envelope waveform of the interference signal; a peak position detection unit for detecting, from the envelope waveform, a first peak position that corresponds to the first interference signal component of the first reflected light and reference light and a second peak position that corresponds to the second interference signal component of the second reflected light and reference light; and a distance determination unit for determining the distance to the measurement object, with the reference plane serving as a point of reference, on the basis of the first peak position and the second peak position.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置及び距離測定方法に関する。   The present invention relates to a distance measuring device and a distance measuring method for measuring a distance to an object to be measured.

測定対象物までの距離を測定する距離測定装置として、TOF(Time-of-Flight)法を用いる装置、光周波数コムを用いる装置、及び多波長干渉計を用いる装置がよく知られている。TOF法を用いる距離測定装置は、パルス変調された測定光を測定対象物に向けて出射し、この測定光が測定対象物に反射されて戻ってくるまでの時間を測定した測定結果に基づき測定対象物までの距離を測定する。TOF法を用いた場合、装置構成が単純であるため、距離測定装置を比較的低コストで製造することができる。また、TOFを用いた距離測定装置では、機械的な駆動部が不要になるため、高速測定が可能となる。   As a distance measuring device for measuring a distance to a measurement object, a device using a TOF (Time-of-Flight) method, a device using an optical frequency comb, and a device using a multiwavelength interferometer are well known. A distance measuring device using the TOF method emits pulse-modulated measurement light toward a measurement object, and measures based on the measurement result of measuring the time until the measurement light is reflected by the measurement object and returns. Measure the distance to the object. When the TOF method is used, since the device configuration is simple, the distance measuring device can be manufactured at a relatively low cost. In addition, since the distance measuring device using TOF does not require a mechanical drive unit, high-speed measurement is possible.

光周波数コムを用いる距離測定装置は、測定光として光周波数コムを使用する干渉計を備え、この干渉計で得られた干渉信号の包絡波形(エンベロープ)及び位相に基づき、基準位置から測定対象物までの距離を測定する(例えば特許文献1及び2参照)。例えば、光周波数コムの測定用信号のセルフビート周波数と参照用信号のセルフビート周波数とで位相比較を行うことで、合致法で距離が求められる。このように光周波数コムを用いた場合には、距離測定の精度が1μmであり、比較的良い精度が得られる。   A distance measuring device using an optical frequency comb includes an interferometer that uses an optical frequency comb as measurement light, and an object to be measured from a reference position based on an envelope waveform (envelope) and phase of an interference signal obtained by the interferometer Is measured (for example, see Patent Documents 1 and 2). For example, the phase is compared between the self-beat frequency of the measurement signal of the optical frequency comb and the self-beat frequency of the reference signal, whereby the distance is obtained by the matching method. Thus, when the optical frequency comb is used, the accuracy of distance measurement is 1 μm, and a relatively good accuracy can be obtained.

多波長干渉計を用いる距離測定装置は、波長の異なる複数のレーザ光を用いる多波長干渉計を備えており、複数のレーザ光のビート波長を用いて測定対象物までの距離を測定する(非特許文献1参照)。多波長干渉計を用いた場合には、高い再現性(2σ=2nm以下)が実現される。   A distance measuring apparatus using a multi-wavelength interferometer includes a multi-wavelength interferometer using a plurality of laser beams having different wavelengths, and measures a distance to a measurement object using beat wavelengths of the plurality of laser beams (non- Patent Document 1). When a multiwavelength interferometer is used, high reproducibility (2σ = 2 nm or less) is realized.

特開2013−7591号公報JP 2013-7591 A 特開2010−14549号公報JP 2010-14549 A

“多波長干渉法(MWLI)技術”、[online]、[平成29年3月21日検索]、インターネット〈http://www.taylor-hobson.jp/multi-wavelength-interferometry.html〉“Multiwavelength Interferometry (MWLI) Technology”, [online], [Search on March 21, 2017], Internet <http://www.taylor-hobson.jp/multi-wavelength-interferometry.html>

ところで、TOF法を用いる場合には、干渉計の構成をとらないため、距離測定の基準位置が不明確になるという問題がある。また、TOF法の測定精度は1mm程度であり、高精度な距離測定には不向きである。   By the way, when the TOF method is used, there is a problem that the reference position for distance measurement becomes unclear because the configuration of the interferometer is not used. Further, the measurement accuracy of the TOF method is about 1 mm, and is not suitable for high-precision distance measurement.

また、光周波数コムを用いる場合、光周波数コムを生成するための構成、すなわちモードロックレーザ光のオフセット周波数及び繰り返し周波数を精度良く制御するための構成が複雑になるので、装置の高コスト化及び大型化という問題が発生する。また、光周波数コムを用いる場合は、位相の測定分解能により距離分解能が制限されるため、超高周波の電気信号(例えば1μmの分解能を得るためには75GHz)を用いて距離分解能を向上させる必要がある。このため、距離測定装置の電気回路の位相安定性が測定精度に影響を及ぼすという問題がある。   Further, in the case of using the optical frequency comb, the configuration for generating the optical frequency comb, that is, the configuration for accurately controlling the offset frequency and the repetition frequency of the mode-locked laser light is complicated, so that the cost of the apparatus is increased. The problem of enlargement occurs. In addition, when the optical frequency comb is used, the distance resolution is limited by the measurement resolution of the phase, so it is necessary to improve the distance resolution using an ultra-high frequency electric signal (for example, 75 GHz in order to obtain a resolution of 1 μm). is there. For this reason, there exists a problem that the phase stability of the electric circuit of a distance measuring device affects measurement accuracy.

さらに、多波長干渉計を用いる距離測定装置では、波長が安定化されたレーザ光を複数使用する必要があるため、装置の高コスト化及び大型化という問題が発生する。また、多波長干渉計を用いる場合には、複数のレーザ光のビート波長を大きくすることが困難であるため、測定レンジが1mm〜2mmと非常に短いという問題がある。   Furthermore, in a distance measuring device using a multi-wavelength interferometer, it is necessary to use a plurality of laser beams whose wavelengths are stabilized, so that there is a problem that the device is expensive and large. In addition, when using a multi-wavelength interferometer, it is difficult to increase the beat wavelengths of a plurality of laser beams, so that there is a problem that the measurement range is as short as 1 mm to 2 mm.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、長レンジ且つ高精度の距離測定を低コストかつコンパクトな構成で実施することができる距離測定装置及び距離測定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a distance measuring device and a distance measuring method capable of performing distance measurement with a long range and high accuracy with a low cost and a compact configuration. And

本発明の目的を達成するための距離測定装置は、第1繰り返し周波数の測定光を出射する第1光源であって、基準面と測定対象物とにそれぞれ入射される測定光を出射する第1光源と、第1繰り返し周波数とは異なる第2繰り返し周波数の参照光を出射する第2光源と、基準面にて反射された測定光の第1反射光と、測定対象物にて反射された測定光の第2反射光と、第2光源から出射された参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、干渉信号検出部が検出した干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成部と、包絡波形生成部が生成した包絡波形から、第1反射光及び参照光の第1干渉信号成分に対応する第1ピーク位置と、第2反射光及び参照光の第2干渉信号成分に対応する第2ピーク位置とを検出するピーク位置検出部と、ピーク位置検出部が検出した第1ピーク位置及び第2ピーク位置に基づき、基準面を基準とした測定対象物までの距離を決定する距離決定部と、を備える。   A distance measuring device for achieving an object of the present invention is a first light source that emits measurement light having a first repetition frequency, and emits measurement light that is incident on a reference surface and a measurement object, respectively. A light source, a second light source that emits reference light having a second repetition frequency different from the first repetition frequency, a first reflected light of measurement light reflected by the reference surface, and a measurement reflected by the measurement object An interference signal detection unit that detects an interference signal between the second reflected light of the light and the reference light emitted from the second light source, and an envelope waveform generation unit that generates an envelope waveform of the interference signal detected by the interference signal detection unit And the first peak position corresponding to the first interference signal component of the first reflected light and the reference light and the second interference signal component of the second reflected light and the reference light from the envelope waveform generated by the envelope waveform generation unit A peak position detector for detecting a second peak position Provided on the basis of the first peak position and the second peak positions Peak position detection section detects the distance determiner for determining the distance of the reference plane to the measurement object on the basis, the.

この距離測定装置によれば、干渉信号の包絡波形を生成し、この包絡波形から各ピーク位置を検出することで、光周波数コムを用いることなく、基準面を基準とした測定対象物までの距離を測定できる。   According to this distance measuring device, an envelope waveform of an interference signal is generated, and each peak position is detected from the envelope waveform, so that the distance to the measurement object with reference to the reference plane can be obtained without using an optical frequency comb. Can be measured.

本発明の他の態様に係る距離測定装置は、包絡波形生成部は、ヒルベルト変換を用いて包絡波形を生成する。これにより、干渉信号の包絡波形が得られる。   In the distance measuring device according to another aspect of the present invention, the envelope waveform generation unit generates an envelope waveform using Hilbert transform. Thereby, an envelope waveform of the interference signal is obtained.

本発明の他の態様に係る距離測定装置は、包絡波形生成部は、干渉信号をヒルベルト変換した変換信号と、ヒルベルト変換による変換信号の遅延に応じて干渉信号を遅延させた遅延信号とに基づき、包絡波形を生成する。   In the distance measuring device according to another aspect of the present invention, the envelope waveform generation unit is based on a converted signal obtained by converting the interference signal into a Hilbert transform and a delayed signal obtained by delaying the interference signal in accordance with the delay of the converted signal caused by the Hilbert transform. Generate an envelope waveform.

本発明の他の態様に係る距離測定装置は、測定光の第1繰り返し周波数及び参照光の第2繰り返し周波数をそれぞれ取得する繰り返し周波数取得部を備え、距離決定部は、ピーク位置検出部が検出した第1ピーク位置及び第2ピーク位置との差分と、繰り返し周波数取得部が取得した第1繰り返し周波数及び第2繰り返し周波数とに基づき、距離の決定を行う。これにより、基準面を基準とした測定対象物までの距離を測定することができる。   A distance measurement device according to another aspect of the present invention includes a repetition frequency acquisition unit that acquires a first repetition frequency of measurement light and a second repetition frequency of reference light, and the distance determination unit is detected by a peak position detection unit. The distance is determined based on the difference between the first peak position and the second peak position and the first repetition frequency and the second repetition frequency acquired by the repetition frequency acquisition unit. Thereby, the distance to the measuring object on the basis of the reference plane can be measured.

本発明の他の態様に係る距離測定装置は、測定光及び参照光は、光周波数コムとは異なるモードロックレーザ光である。これにより、モードロックレーザ光のオフセット周波数及び繰り返し周波数を精度良く制御するための構成が不要となると共に、光周波数コムを用いる場合のように超高周波の電気信号を扱う必要がなくなるため、距離測定装置が低コスト且つコンパクトな構成になる。   In the distance measuring device according to another aspect of the present invention, the measurement light and the reference light are mode-locked laser light different from the optical frequency comb. This eliminates the need for a configuration for accurately controlling the offset frequency and the repetition frequency of the mode-locked laser beam, and eliminates the need to handle an ultra-high frequency electric signal as in the case of using an optical frequency comb. The apparatus has a low cost and a compact configuration.

本発明の他の態様に係る距離測定装置は、第1光源から入力された測定光の一部を反射する端面を有しており、測定光の残りを測定対象物に向けて出射し、且つ測定対象物にて反射された第1反射光が入射する端面反射型のセンサヘッドを備え、基準面は、センサヘッドの端面である。これにより、センサヘッドの端面を基準とした測定対象物までの距離を測定することができる。   A distance measuring device according to another aspect of the present invention has an end face that reflects a part of the measurement light input from the first light source, emits the remainder of the measurement light toward the measurement object, and An end surface reflection type sensor head on which the first reflected light reflected by the measurement object is incident is provided, and the reference surface is an end surface of the sensor head. Thereby, the distance to the measuring object based on the end face of the sensor head can be measured.

本発明の目的を達成するための距離測定方法は、第1光源から第1繰り返し周波数の測定光を出射させて、測定光を基準面と測定対象物とにそれぞれ入射させる第1出射ステップと、第1繰り返し周波数とは異なる第2繰り返し周波数の参照光を第2光源から出射する第2出射ステップと、基準面にて反射された測定光の第1反射光と、測定対象物にて反射された測定光の第2反射光と、第2光源から出射された参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、干渉信号検出ステップで検出した干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成ステップと、包絡波形生成ステップで生成した包絡波形から、第1反射光及び参照光の第1干渉信号成分に対応する第1ピーク位置と、第2反射光及び参照光の第2干渉信号成分に対応する第2ピーク位置とを検出するピーク位置検出ステップと、ピーク位置検出ステップで検出した第1ピーク位置及び第2ピーク位置に基づき、基準面を基準とした測定対象物までの距離を決定する距離決定ステップと、を有する。   A distance measurement method for achieving the object of the present invention includes a first emission step of emitting measurement light having a first repetition frequency from a first light source and causing the measurement light to enter a reference plane and a measurement object, respectively. A second emission step of emitting a reference light having a second repetition frequency different from the first repetition frequency from the second light source; a first reflected light of the measurement light reflected by the reference surface; An interference signal detecting step for detecting an interference signal between the second reflected light of the measured light and the reference light emitted from the second light source, and an envelope waveform for generating an envelope waveform of the interference signal detected in the interference signal detecting step A first peak position corresponding to the first interference signal component of the first reflected light and the reference light and a second interference signal component of the second reflected light and the reference light from the generation waveform and the envelope waveform generated in the envelope waveform generation step; No. corresponding to A peak position detecting step for detecting the peak position; a distance determining step for determining a distance to the measurement object based on the reference plane based on the first peak position and the second peak position detected in the peak position detecting step; Have.

本発明の距離測定装置及び距離測定方法は、長レンジ且つ高精度の距離測定を低コストかつコンパクトな構成で実施することができる。   The distance measuring device and the distance measuring method of the present invention can carry out long-range and high-precision distance measurement with a low-cost and compact configuration.

モードロックレーザ光の特性を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the characteristic of a mode-locked laser beam. モードロックレーザ光の光電変換結果を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the photoelectric conversion result of a mode lock laser beam. 2台のモードロックレーザ光源から出射されたモードロックレーザ光のパルスの可干渉性を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the coherence of the pulse of the mode-locked laser beam radiate | emitted from the two mode-locked laser light sources. プリズムで合波される測定光及び参照光の双方の電界強度を同一時間軸上で表したグラフである。It is the graph which represented the electric field strength of both the measurement light combined with a prism, and reference light on the same time axis. 測定対象物までの絶対距離を測定する距離測定装置の概略図である。It is the schematic of the distance measuring apparatus which measures the absolute distance to a measuring object. デジタイザから信号処理部へ出力される干渉信号の一例を示したグラフである。It is the graph which showed an example of the interference signal output to a signal processing part from a digitizer. 信号処理部によるピーク位置の検出を行う際の課題を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the subject at the time of detecting the peak position by a signal processing part. 信号処理部の機能を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the function of a signal processing part. 包絡波形生成部による包絡波形の生成を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the production | generation of the envelope waveform by an envelope waveform generation part. 包絡波形生成部による包絡波形の生成処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the production | generation process of the envelope waveform by an envelope waveform generation part. 距離測定装置による測定対象物までの絶対距離の測定処理(本発明の距離測定方法)の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the measurement process (distance measuring method of this invention) of the absolute distance to the measuring object by a distance measuring device.

[モードロックレーザ光の特性]
本実施形態の距離測定装置10(図5参照)は、2種類のモードロックレーザ光(MLL:Mode locked laser)を用いて距離測定を行う。最初にモードロックレーザ光の特性について説明する。
[Characteristics of mode-locked laser light]
The distance measuring apparatus 10 (see FIG. 5) of the present embodiment performs distance measurement using two types of mode-locked laser light (MLL: Mode locked laser). First, the characteristics of the mode-locked laser beam will be described.

図1は、モードロックレーザ光の特性を説明するための説明図である。図1の符号1A(上段)はモードロックレーザ光の強度を周波数軸で表したグラフであり、図1の符号1Bはモードロックレーザ光の電界強度を時間軸で表したグラフである。   FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the characteristics of a mode-locked laser beam. 1 is a graph representing the intensity of the mode-locked laser beam on the frequency axis, and 1B in FIG. 1 is a graph representing the electric field strength of the mode-locked laser beam on the time axis.

図1に示すように、モードロックレーザ光は、位相が同期した複数周波数のレーザ光、換言すると繰り返し周波数frepが一定のパルスレーザ光である。モードロックレーザ光は、周波数軸(符号1A参照)上では繰り返し周波数frep毎に光周波数が並んでおり、時間軸(符号1B参照)上では光パルスが周波数frepで繰り返される。なお、モードロックレーザ光では、仮想的な光周波数の開始点(オフセット周波数)をfceo(キャリアエンベロープオフセット)と呼ぶ。 As shown in FIG. 1, the mode-locked laser beam is a laser beam having a plurality of frequencies whose phases are synchronized, in other words, a pulsed laser beam having a constant repetition frequency f rep . The mode-locked laser light has optical frequencies arranged at every repetition frequency f rep on the frequency axis (see reference numeral 1A), and an optical pulse is repeated at the frequency f rep on the time axis (see reference numeral 1B). In mode-locked laser light, the virtual optical frequency start point (offset frequency) is called fceo (carrier envelope offset).

光周波数コムは、繰り返し周波数frep及びオフセット周波数fceoが精度良く制御されたモードロックレーザ光である。ここで、本明細書内での「モードロックレーザ光」とは、光周波数コムとは異なるもの、すなわち繰り返し周波数frep及びオフセット周波数fceoが精度良く制御されていないモードロックレーザ光を指す。 The optical frequency comb is a mode-locked laser beam in which the repetition frequency f rep and the offset frequency f ceo are accurately controlled. Here, the “mode-locked laser beam” in the present specification refers to a mode-locked laser beam that is different from the optical frequency comb, that is, the repetition frequency f rep and the offset frequency f.sub.eo are not accurately controlled.

図2は、モードロックレーザ光の光電変換結果を説明するための説明図である。図2の上段に示すモードロックレーザ光を光電変換器で受光して光電変換(検出)し、この光電変換結果を周波数解析すると、図2の下段に示すように、繰り返し周波数frep毎にピーク周波数が観測されるセルフビート信号が得られる。 FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the photoelectric conversion result of the mode-locked laser beam. The mode-locked laser beam shown in the upper part of FIG. 2 is received by a photoelectric converter and subjected to photoelectric conversion (detection). When the frequency analysis is performed on the result of the photoelectric conversion, a peak is obtained at each repetition frequency f rep as shown in the lower part of FIG. A self-beat signal whose frequency is observed is obtained.

図3は、2台のモードロックレーザ光源3,4から出射されたモードロックレーザ光のパルスの可干渉性を説明するための説明図である。図3に示すように、モードロックレーザ光源3(図中で「MLL1」と表示)は、第1繰り返し周波数frep1のモードロックレーザ光を測定光L1としてプリズム5に向けて出射する。この測定光L1は、プリズム5を透過した後、測定用コーナキューブプリズム6に入射する。測定用コーナキューブプリズム6に入射した測定光L1は、測定用コーナキューブプリズム6においてプリズム5に向けて反射される。反射された測定光L1は、プリズム5に入射した後、プリズム5からプリズム7に向けて反射される。 FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the coherence of the pulses of the mode-locked laser light emitted from the two mode-locked laser light sources 3 and 4. As shown in FIG. 3, the mode-locked laser light source 3 (shown as “MLL1” in the figure) emits a mode-locked laser beam having the first repetition frequency f rep1 toward the prism 5 as the measurement light L1. The measurement light L 1 passes through the prism 5 and then enters the measurement corner cube prism 6. The measurement light L 1 incident on the measurement corner cube prism 6 is reflected toward the prism 5 by the measurement corner cube prism 6. The reflected measurement light L1 is incident on the prism 5 and then reflected from the prism 5 toward the prism 7.

一方、モードロックレーザ光源4(図中で「MLL2」と表示)は、第2繰り返し周波数frep2(≠frep1)のモードロックレーザ光を参照光L2としてプリズム7に向けて出射する。これにより、プリズム7において測定光L1(反射光)と参照光L2とが合波されて、測定光L1と参照光L2との干渉信号が光電変換器8に入射して光電変換される。光電変換器8は、例えばCCD(Charge Coupled Device)型又はCMOS(complementary metal oxide semiconductor)型のイメージセンサ、或いはフォトダイオードが用いられる(後述の差動光電変換器20、光電変換器21,22も同様)。 On the other hand, the mode-locked laser light source 4 (indicated as “MLL2” in the drawing ) emits a mode-locked laser beam having the second repetition frequency f rep2 (≠ f rep1 ) toward the prism 7 as reference light L2. Thereby, the measurement light L1 (reflected light) and the reference light L2 are combined in the prism 7, and an interference signal between the measurement light L1 and the reference light L2 enters the photoelectric converter 8 and is photoelectrically converted. As the photoelectric converter 8, for example, a charge coupled device (CCD) type or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) type image sensor or a photodiode is used (a differential photoelectric converter 20 and photoelectric converters 21 and 22 described later are also used). The same).

図4は、プリズム7で合波される測定光L1(反射光)及び参照光L2の双方の電界強度を同一時間軸上で表したグラフである。図4に示すように、測定光L1の第1繰り返し周波数frep1と参照光L2の第2繰り返し周波数frep2とを少しずらすことで、測定光L1(反射光)の光パルスを参照光L2の光パルスで走査した場合と同様の効果が得られる。本発明ではこの効果を利用して距離測定を行う。なお、図中の符号「q」は、測定光L1の光パルスを参照光L2の光パルスで走査する際の光パルスの1サンプル毎の走査間隔[|c/frep1−c/frep2|、c:光速]である。 FIG. 4 is a graph showing the electric field strengths of both the measurement light L1 (reflected light) and the reference light L2 combined by the prism 7 on the same time axis. As shown in FIG. 4, the optical pulse of the measurement light L1 (reflected light) is shifted from the reference light L2 by slightly shifting the first repetition frequency f rep1 of the measurement light L1 and the second repetition frequency f rep2 of the reference light L2. The same effect as when scanning with a light pulse can be obtained. In the present invention, this effect is used to perform distance measurement. The symbol “q” in the figure indicates the scanning interval [| c / f rep1 −c / f rep2 | for each sample of the optical pulse when the optical pulse of the measuring light L1 is scanned with the optical pulse of the reference light L2. , C: speed of light].

[本実施形態の距離測定装置の構成]
図5は、測定対象物9までの絶対距離Dを測定する距離測定装置10の概略図である。図5に示すように、距離測定装置10は、モードロックレーザ光源12(図中で「MLL1」と表示)と、モードロックレーザ光源13(図中で「MLL2」と表示)と、カプラ15と、ファイバサーキュレータ16と、センサヘッド17と、カプラ18と、カプラ19と、差動光電変換器20と、シングルエンド型の光電変換器21,22と、ミキサ23と、ローパスフィルタ24(図中で「LPF」と表示)と、周波数カウンタ25と、デジタイザ26と、信号処理部27と、表示部28と、記憶部29と、を備える。
[Configuration of Distance Measuring Device of this Embodiment]
FIG. 5 is a schematic diagram of the distance measuring device 10 that measures the absolute distance D to the measuring object 9. As shown in FIG. 5, the distance measuring device 10 includes a mode-locked laser light source 12 (shown as “MLL1” in the figure), a mode-locked laser light source 13 (shown as “MLL2” in the figure), a coupler 15, , Fiber circulator 16, sensor head 17, coupler 18, coupler 19, differential photoelectric converter 20, single-ended photoelectric converters 21 and 22, mixer 23, and low-pass filter 24 (in the figure). “LPF”), a frequency counter 25, a digitizer 26, a signal processing unit 27, a display unit 28, and a storage unit 29.

モードロックレーザ光源12(本発明の第1光源に相当)は、光ファイバケーブルF1を介してカプラ15に接続している。このモードロックレーザ光源12は、第1繰り返し周波数frep1のモードロックレーザ光を測定光L1として出射する。この測定光L1は、光ファイバケーブルF1を介してカプラ15に入力される。 The mode-locked laser light source 12 (corresponding to the first light source of the present invention) is connected to the coupler 15 via the optical fiber cable F1. The mode-locked laser light source 12 emits a mode-locked laser beam having a first repetition frequency f rep1 as measurement light L1. The measurement light L1 is input to the coupler 15 via the optical fiber cable F1.

モードロックレーザ光源13(本発明の第2光源に相当)は、光ファイバケーブルF2を介してカプラ18に接続している。このモードロックレーザ光源13は、第1繰り返し周波数frep1とは異なる第2繰り返し周波数frep2のモードロックレーザ光を参照光L2として出射する。この参照光L2は、光ファイバケーブルF2を介してカプラ18に入力される。 The mode-locked laser light source 13 (corresponding to the second light source of the present invention) is connected to the coupler 18 via the optical fiber cable F2. The mode-locked laser light source 13 emits a mode-locked laser beams having different second repetition frequency f rep2 the first repetition frequency f rep1 as the reference light L2. The reference light L2 is input to the coupler 18 via the optical fiber cable F2.

カプラ15は、その一端が光ファイバケーブルF1を介してモードロックレーザ光源12に接続し、その他端が光ファイバケーブルF3を介してファイバサーキュレータ16に接続していると共に、光ファイバケーブルF4を介して光電変換器21に接続している。カプラ15は、光ファイバケーブルF1から入力された測定光L1を2分割し、測定光L1の一方を、光ファイバケーブルF3を介してファイバサーキュレータ16へ出力すると共に、測定光L1の他方を、光ファイバケーブルF3を介して光電変換器21へ出力する。   The coupler 15 has one end connected to the mode-locked laser light source 12 via the optical fiber cable F1, and the other end connected to the fiber circulator 16 via the optical fiber cable F3 and via the optical fiber cable F4. It is connected to the photoelectric converter 21. The coupler 15 divides the measurement light L1 input from the optical fiber cable F1 into two, outputs one of the measurement light L1 to the fiber circulator 16 via the optical fiber cable F3, and outputs the other of the measurement light L1 to the optical fiber cable F3. It outputs to the photoelectric converter 21 via the fiber cable F3.

ファイバサーキュレータ16は、光ファイバケーブルF3を介してカプラ15に接続している他、光ファイバケーブルF5を介してセンサヘッド17に接続していると共に、光ファイバケーブルF6を介してカプラ19に接続している。このファイバサーキュレータ16は、例えば非往復方式且つ1方向型デバイスであって3つのポートを有しており、光ファイバケーブルF3から入力された測定光L1を、光ファイバケーブルF5を介してセンサヘッド17へ出力する。また、ファイバサーキュレータ16は、光ファイバケーブルF5を介してセンサヘッド17から入力された後述の第1反射光R1及び第2反射光R2を、光ファイバケーブルF6を介してカプラ19へ出力する。   The fiber circulator 16 is connected to the coupler 15 via the optical fiber cable F3, is connected to the sensor head 17 via the optical fiber cable F5, and is connected to the coupler 19 via the optical fiber cable F6. ing. The fiber circulator 16 is, for example, a non-reciprocating and unidirectional device, and has three ports. The sensor head 17 receives the measurement light L1 input from the optical fiber cable F3 via the optical fiber cable F5. Output to. Further, the fiber circulator 16 outputs first reflected light R1 and second reflected light R2, which will be described later, input from the sensor head 17 via the optical fiber cable F5 to the coupler 19 via the optical fiber cable F6.

センサヘッド17は、端面反射型のヘッドであり、光ファイバケーブルF5から入力された測定光L1の一部をファイバサーキュレータ16に向けて反射し、測定光L1の残りを測定対象物9に向けて出射する。測定対象物9に向けて出射された測定光L1は、測定対象物9にて反射され、第1反射光R1としてセンサヘッド17に入射する。   The sensor head 17 is an end surface reflection type head, reflects a part of the measurement light L1 input from the optical fiber cable F5 toward the fiber circulator 16, and directs the rest of the measurement light L1 toward the measurement object 9. Exit. The measurement light L1 emitted toward the measurement object 9 is reflected by the measurement object 9, and enters the sensor head 17 as the first reflected light R1.

センサヘッド17の測定光Lの出射端側(入射端側でも可)の端面は、上述の測定光L1の一部をファイバサーキュレータ16に向けて反射する基準面17a(参照面ともいう)として機能する。このため、上述の測定光L1の一部が基準面17aにて反射されて第2反射光R2となる。これにより、基準面17aを基準位置とした測定対象物9までの絶対距離Dの測定を行うことができる。そして、第1反射光R1及び第2反射光R2がセンサヘッド17から光ファイバケーブルF5を介してファイバサーキュレータ16に入力され、さらにこのファイバサーキュレータ16から光ファイバケーブルF6を介してカプラ19に入力される。   The end surface of the sensor head 17 on the emission end side (or the incident end side) of the measurement light L functions as a reference surface 17a (also referred to as a reference surface) that reflects part of the measurement light L1 toward the fiber circulator 16. To do. For this reason, a part of the measurement light L1 described above is reflected by the reference surface 17a to become the second reflected light R2. Thereby, the absolute distance D to the measuring object 9 with the reference surface 17a as the reference position can be measured. The first reflected light R1 and the second reflected light R2 are input from the sensor head 17 to the fiber circulator 16 via the optical fiber cable F5, and further input from the fiber circulator 16 to the coupler 19 via the optical fiber cable F6. The

カプラ18は、その一端が光ファイバケーブルF2を介してモードロックレーザ光源13に接続し、その他端が光ファイバケーブルF7を介してカプラ19に接続していると共に、光ファイバケーブルF8を介して光電変換器22に接続している。このカプラ15は、光ファイバケーブルF2から入力された参照光L2を2分割し、参照光L2の一方を、光ファイバケーブルF7を介してカプラ19へ出力すると共に、参照光L2の他方を、光ファイバケーブルF8を介して光電変換器22へ出力する。   One end of the coupler 18 is connected to the mode-locked laser light source 13 via the optical fiber cable F2, and the other end is connected to the coupler 19 via the optical fiber cable F7. It is connected to the converter 22. The coupler 15 divides the reference light L2 input from the optical fiber cable F2 into two parts, outputs one of the reference lights L2 to the coupler 19 via the optical fiber cable F7, and outputs the other of the reference lights L2 to the optical fiber cable F2. It outputs to the photoelectric converter 22 via the fiber cable F8.

カプラ19の一端には既述の光ファイバケーブルF6,F7が接続され、カプラ19の他端には2本の光ファイバケーブルF9が接続されている。カプラ19は、光ファイバケーブルF6から入力された第1反射光R1及び第2反射光R2と、光ファイバケーブルF7から入力された参照光L2とを合波して、第1反射光R1と第2反射光R2と参照光L2との干渉信号SG(干渉光)を生成する。また、カプラ19は、生成した干渉信号SGを2分割して2本の光ファイバケーブルF9へそれぞれ出力する。ここで、第1反射光R1と参照光L2の強度差があるとき、カプラ19は第1反射光R1と参照光L2を非干渉信号として、干渉信号SGと同時に第2反射光R2と参照光L2の強度の非干渉信号を2分割して2本の光ファイバケーブルF9へ出力する。同様に第2反射光R2と参照光L2の強度差があるとき、カプラ19は第2反射光R2と参照光L2を非干渉信号として、干渉信号SGと同時に第2反射光R2と参照光L2の強度の非干渉信号を2分割して2本の光ファイバケーブルF9へ出力する。このとき、カプラ19の基本的な性質の一つとして、干渉信号SGは2本の光ファイバケーブルF9へ光の強弱が反転した形態で出力し、非干渉信号である第1反射光R1と第2反射光R2と参照光L2は2本の光ファイバケーブルF9へ同じ光の強弱となる形態で出力する。光ファイバケーブルF9は、カプラ19から個別に入力された干渉信号SGを差動光電変換器20に向けて個別に出射する。   The optical fiber cables F6 and F7 described above are connected to one end of the coupler 19, and two optical fiber cables F9 are connected to the other end of the coupler 19. The coupler 19 combines the first reflected light R1 and the second reflected light R2 input from the optical fiber cable F6 and the reference light L2 input from the optical fiber cable F7, and combines the first reflected light R1 and the first reflected light R1. The interference signal SG (interference light) between the two reflected light R2 and the reference light L2 is generated. Further, the coupler 19 divides the generated interference signal SG into two and outputs them to the two optical fiber cables F9. Here, when there is an intensity difference between the first reflected light R1 and the reference light L2, the coupler 19 uses the first reflected light R1 and the reference light L2 as non-interfering signals, and simultaneously with the interference signal SG, the second reflected light R2 and the reference light. The non-interfering signal having the intensity of L2 is divided into two and output to the two optical fiber cables F9. Similarly, when there is an intensity difference between the second reflected light R2 and the reference light L2, the coupler 19 uses the second reflected light R2 and the reference light L2 as non-interfering signals, and simultaneously with the interference signal SG, the second reflected light R2 and the reference light L2. The non-interfering signal having the intensity of 2 is divided into two and output to the two optical fiber cables F9. At this time, as one of the basic properties of the coupler 19, the interference signal SG is output to the two optical fiber cables F9 in a form in which the intensity of light is inverted, and the first reflected light R1 and the first reflected light R1 which are non-interference signals are transmitted. The two reflected light R2 and the reference light L2 are output to the two optical fiber cables F9 in the form of the same light intensity. The optical fiber cable F9 individually outputs the interference signal SG input from the coupler 19 toward the differential photoelectric converter 20.

干渉信号SGには、第1反射光R1及び参照光L2の干渉信号成分である第1干渉信号成分SG1と、第2反射光R2及び参照光L2の干渉信号成分である第2干渉信号成分SG2と、が含まれる。第1干渉信号成分SG1は、測定光L1(第1反射光R1)の第1繰り返し周波数frep1と参照光L2の第2繰り返し周波数frep2との差の周波数[|frep1−frep2|](Hz)で、同じ干渉波形(パルス干渉波形)が繰り返される(図6参照)。また、第2干渉信号成分SG2についても同様に、第1繰り返し周波数frep1と第2繰り返し周波数frep2との差の周波数[|frep1−frep2|](Hz)で、同じ干渉波形(パルス干渉波形)が繰り返される(図6参照)。 The interference signal SG includes a first interference signal component SG1 that is an interference signal component of the first reflected light R1 and the reference light L2, and a second interference signal component SG2 that is an interference signal component of the second reflected light R2 and the reference light L2. And are included. The first interference signal component SG1 is the measuring light L1 frequency of the difference between the second repetition frequency f rep2 the first repetition frequency f rep1 the reference light L2 (first reflected light R1) [| f rep1 -f rep2 |] The same interference waveform (pulse interference waveform) is repeated at (Hz) (see FIG. 6). Similarly, the second interference signal component SG2 has the same interference waveform (pulse) at the frequency [| f rep1 −f rep2 |] (Hz) of the difference between the first repetition frequency f rep1 and the second repetition frequency f rep2. (Interference waveform) is repeated (see FIG. 6).

差動光電変換器20は、本発明の干渉信号検出部に相当するものであり、2本の光ファイバケーブルF9からそれぞれ出射された干渉信号SGを個別に検出する2つの光検出素子と、2つ光検出素子の出力の差分をとって差動信号を出力する差動出力部と、を有する。なお、差動光電変換器20については公知技術であるので、詳細な説明は省略する。この差動光電変換器20は、2本の光ファイバケーブルF9から出射された干渉信号SGを電気信号(差動信号)に変換して、デジタイザ26へ出力する。差動光電変換器20は2つの入力された光の強度差を出力するため、前述の干渉信号SGを抽出して非干渉信号である第1反射光R1と第2反射光R2と参照光L2を排除することにより、干渉信号SGのノイズを低減させることができる。   The differential photoelectric converter 20 corresponds to the interference signal detector of the present invention, and includes two photodetectors that individually detect the interference signals SG respectively emitted from the two optical fiber cables F9, and 2 And a differential output unit that outputs a differential signal by taking a difference between outputs of the two photodetecting elements. Since the differential photoelectric converter 20 is a known technique, detailed description thereof is omitted. The differential photoelectric converter 20 converts the interference signal SG emitted from the two optical fiber cables F9 into an electric signal (differential signal) and outputs the electric signal to the digitizer 26. Since the differential photoelectric converter 20 outputs an intensity difference between the two input lights, the first reflected light R1, the second reflected light R2, and the reference light L2 that are non-interfering signals are extracted by extracting the above-described interference signal SG. By eliminating the above, it is possible to reduce the noise of the interference signal SG.

光電変換器21は、光ファイバケーブルF4を介してカプラ15から入力された測定光L1を光電変換(検出)し、測定光L1の検出信号MG1をミキサ23と周波数カウンタ25とにそれぞれ出力する。この検出信号MG1の周波数は、frep1(Hz)である。 The photoelectric converter 21 photoelectrically converts (detects) the measurement light L1 input from the coupler 15 via the optical fiber cable F4, and outputs the detection signal MG1 of the measurement light L1 to the mixer 23 and the frequency counter 25, respectively. The frequency of the detection signal MG1 is f rep1 (Hz).

光電変換器22は、光ファイバケーブルF8を介してカプラ18から入力された参照光L2を光電変換(検出)し、参照光L2の検出信号MG2をミキサ23と周波数カウンタ25とデジタイザ26とにそれぞれ出力する。この検出信号MG2の周波数は、frep2(Hz)である。なお、デジタイザ26に入力される検出信号MG2は、デジタイザ26においてサンプリングクロックとして用いられる。 The photoelectric converter 22 photoelectrically converts (detects) the reference light L2 input from the coupler 18 via the optical fiber cable F8, and detects the detection signal MG2 of the reference light L2 to the mixer 23, the frequency counter 25, and the digitizer 26, respectively. Output. The frequency of the detection signal MG2 is f rep2 (Hz). The detection signal MG2 input to the digitizer 26 is used as a sampling clock in the digitizer 26.

ミキサ23は、光電変換器21から入力された測定光L1の検出信号MG1と、光電変換器22から入力された参照光L2の検出信号MG2とに基づき、各々の周波数の和の周波数を有する信号と、差の周波数を有する信号とを生成する。既述の通り、検出信号MG1の周波数はfrep1(Hz)であり、検出信号MG2の周波数はfrep2(Hz)である。このため、ミキサ23は、和の周波数[frep1+frep2](Hz)を有する信号と、差の周波数[|frep1−frep2|](Hz)を有する信号とを生成し、両信号をローパスフィルタ24へ出力する。 The mixer 23 is a signal having a sum frequency of the respective frequencies based on the detection signal MG1 of the measurement light L1 input from the photoelectric converter 21 and the detection signal MG2 of the reference light L2 input from the photoelectric converter 22. And a signal having a difference frequency. As described above, the frequency of the detection signal MG1 is f rep1 (Hz), and the frequency of the detection signal MG2 is f rep2 (Hz). Therefore, the mixer 23 generates a signal having a sum frequency [f rep1 + f rep2 ] (Hz) and a signal having a difference frequency [| f rep1 −f rep2 |] (Hz), Output to the low-pass filter 24.

ローパスフィルタ24は、ミキサ23から入力される信号のうち「和の周波数」を有する信号をカットし、「差の周波数」を有する信号のみをデジタイザ26に出力する。この差の周波数[|frep1−frep2|](Hz)を有する信号は、後述のデジタイザ26が干渉信号SGの取り込みを行う際の基準となるトリガ信号として用いられる。 The low-pass filter 24 cuts a signal having a “sum frequency” from signals input from the mixer 23 and outputs only a signal having a “difference frequency” to the digitizer 26. A signal having the difference frequency [| f rep1 −f rep2 |] (Hz) is used as a trigger signal that serves as a reference when the digitizer 26 described later captures the interference signal SG.

周波数カウンタ25は、本発明の繰り返し周波数取得部として機能する。周波数カウンタ25は、光電変換器21から入力された検出信号MG1に基づき測定光L1の第1繰り返し周波数frep1を検出すると共に、光電変換器22から入力された検出信号MG2に基づき参照光L2の第2繰り返し周波数frep2を検出する。そして、周波数カウンタ25は、第1繰り返し周波数frep1及び第2繰り返し周波数frep2の検出結果である繰り返し周波数検出結果を信号処理部27へ出力する。 The frequency counter 25 functions as a repetition frequency acquisition unit of the present invention. The frequency counter 25 detects the first repetition frequency f rep1 of the measurement light L1 based on the detection signal MG1 input from the photoelectric converter 21, and also detects the reference light L2 based on the detection signal MG2 input from the photoelectric converter 22. A second repetition frequency f rep2 is detected. Then, the frequency counter 25 outputs a repetition frequency detection result that is a detection result of the first repetition frequency f rep1 and the second repetition frequency f rep2 to the signal processing unit 27.

デジタイザ26は、差動光電変換器20から入力される干渉信号SGをサンプリングしてデジタイズ(デジタル化)する。具体的に、デジタイザ26は、ローパスフィルタ24から入力されるトリガ信号、すなわち差の周波数で[|frep1−frep2|](Hz)で繰り返されるトリガ信号を基準として、サンプリングを開始する。またこの際に、デジタイザ26は、光電変換器22から入力される検出信号MG2の周波数「frep2」(Hz)をサンプリングクロックとしてサンプリングを行う。従って、デジタイザ26は、新たなトリガの入力に応じて次のトリガまでの間にサンプリングクロックに応じて干渉信号SGのサンプリング及びデジタイズを行う。 The digitizer 26 samples and digitizes (digitizes) the interference signal SG input from the differential photoelectric converter 20. Specifically, the digitizer 26 starts sampling on the basis of the trigger signal input from the low-pass filter 24, that is, the trigger signal repeated at [| f rep1 −f rep2 |] (Hz) at the difference frequency. At this time, the digitizer 26 performs sampling using the frequency “f rep2 ” (Hz) of the detection signal MG2 input from the photoelectric converter 22 as a sampling clock. Accordingly, the digitizer 26 samples and digitizes the interference signal SG according to the sampling clock before the next trigger in response to a new trigger input.

ここで、第1干渉信号成分SG1の干渉波形と、第2干渉信号成分SG2の干渉波形とはそれぞれ周波数[|frep1−frep2|](Hz)で繰り返される(図6参照)。このため、デジタイザ26に入力するトリガ信号の間隔を既述の差の周波数[|frep1−frep2|](Hz)に設定することで、双方の干渉波形のサンプリングを確実に行いつつ、無駄なサンプリングを防止できる。これにより、デジタイザ26は、トリガ信号が入力される毎に、デジタイズした干渉信号SGを信号処理部27へ出力する。 Here, the interference waveform of the first interference signal component SG1 and the interference waveform of the second interference signal component SG2 are each repeated at a frequency [| f rep1 −f rep2 |] (Hz) (see FIG. 6). For this reason, by setting the interval of the trigger signal input to the digitizer 26 to the difference frequency [| f rep1 −f rep2 |] (Hz) as described above, both the interference waveforms can be reliably sampled and wasteful. Sampling can be prevented. Thereby, the digitizer 26 outputs the digitized interference signal SG to the signal processing unit 27 every time a trigger signal is input.

図6は、デジタイザ26から信号処理部27へ出力される干渉信号SGの一例を示したグラフである。なお、グラフの横軸は、デジタイザ26による干渉信号SGのサンプリング数[sample(N)]であり、実質的には時間と等価である。   FIG. 6 is a graph showing an example of the interference signal SG output from the digitizer 26 to the signal processing unit 27. The horizontal axis of the graph is the number of sampling of the interference signal SG by the digitizer 26 [sample (N)], which is substantially equivalent to time.

図6に示すように、干渉信号SGには、既述の通り、第1干渉信号成分SG1の干渉波形と、第2干渉信号成分SG2の干渉波形とが、周波数[|frep1−frep2|](Hz)毎に繰り返し発生する。そして、第1干渉信号成分SG1の干渉波形の包絡波形36(図7参照)のピーク位置に相当する第1ピーク位置P1と、第2干渉信号成分SG2の干渉波形の包絡波形36のピーク位置に相当する第2ピーク位置P2との間のサンプリング数ΔNが、既述の基準面17aから測定対象物9までの絶対距離Dに相当する。このため、信号処理部27は、両干渉波形の包絡波形36の各ピーク位置P1,P2を個別に検出し、さらに各ピーク位置P1,P2間のサンプリング数ΔNを検出した結果に基づき、絶対距離Dを求める。 As shown in FIG. 6, in the interference signal SG, as described above, the interference waveform of the first interference signal component SG1 and the interference waveform of the second interference signal component SG2 have the frequency [| f rep1 −f rep2 | ] Repeated every Hz. Then, the first peak position P1 corresponding to the peak position of the envelope waveform 36 (see FIG. 7) of the interference waveform of the first interference signal component SG1 and the peak position of the envelope waveform 36 of the interference waveform of the second interference signal component SG2. The sampling number ΔN between the corresponding second peak position P2 corresponds to the absolute distance D from the reference surface 17a described above to the measurement object 9. For this reason, the signal processing unit 27 individually detects the peak positions P1 and P2 of the envelope waveform 36 of both interference waveforms, and further detects the sampling number ΔN between the peak positions P1 and P2 based on the result of detecting the absolute distance. D is obtained.

図7は、信号処理部27によるピーク位置の検出を行う際の課題を説明するための説明図であって、且つ第1干渉信号成分SG1(第2干渉信号成分SG2)の干渉波形を拡大した図である。また、図中の横軸は、サンプリング数[sample(N)]であり、図中の縦軸は干渉信号SG(第1干渉信号成分SG1及び第2干渉信号成分SG2)の信号強度である。   FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a problem when the signal processing unit 27 detects the peak position, and the interference waveform of the first interference signal component SG1 (second interference signal component SG2) is enlarged. FIG. Also, the horizontal axis in the figure is the sampling number [sample (N)], and the vertical axis in the figure is the signal intensity of the interference signal SG (the first interference signal component SG1 and the second interference signal component SG2).

図7の符号35A(上段)は、測定光L1及び参照光L2として、各繰り返し周波数frep1,frep2及びオフセット周波数fceoが精度良く制御された光周波数コムを用いた場合の干渉波形である。この場合には、第1干渉信号成分SG1の干渉波形のピーク位置uと、第1干渉信号成分SG1の包絡波形36の第1ピーク位置P1との相対位置を安定させ事前に求めることができると共に、第2干渉信号成分SG2の干渉波形のピーク位置uと、第2干渉信号成分SG2の包絡波形36の第2ピーク位置P2との相対位置を安定させ事前に求めることができる。このため、干渉信号SGを解析して2個のピーク位置uを検出することで、第1干渉信号成分SG1の包絡波形36の第1ピーク位置P1と、第2干渉信号成分SG2の包絡波形36の第2ピーク位置P2と、を検出できる。 Reference numeral 35A (upper stage) in FIG. 7 represents an interference waveform when an optical frequency comb in which the repetition frequencies f rep1 and f rep2 and the offset frequency f ceo are accurately controlled is used as the measurement light L1 and the reference light L2. . In this case, the relative position between the peak position u of the interference waveform of the first interference signal component SG1 and the first peak position P1 of the envelope waveform 36 of the first interference signal component SG1 can be stabilized and obtained in advance. The relative position between the peak position u of the interference waveform of the second interference signal component SG2 and the second peak position P2 of the envelope waveform 36 of the second interference signal component SG2 can be stabilized and obtained in advance. Therefore, by analyzing the interference signal SG and detecting two peak positions u, the first peak position P1 of the envelope waveform 36 of the first interference signal component SG1 and the envelope waveform 36 of the second interference signal component SG2 are detected. The second peak position P2 can be detected.

一方、図7の符号35B(下段)は、測定光L1及び参照光L2として、各繰り返し周波数frep1,frep2及びオフセット周波数fceoが精度良く制御されていないモードロックレーザ光を用いた場合の干渉波形である。この場合には、第1干渉信号成分SG1の干渉波形のピーク位置uと、第1干渉信号成分SG1の包絡波形36の第1ピーク位置P1との相対位置は安定せず事前に求めることは出来ず、且つ第2干渉信号成分SG2の干渉波形のピーク位置uと、第2干渉信号成分SG2の包絡波形36の第2ピーク位置P2との相対位置は安定せず事前に求めることは出来ない。このため、干渉信号SGを周波数解析して2個のピーク位置uを検出したとしても、各ピーク位置P1,P2との間には誤差があるため、各ピーク位置uから絶対距離Dを精度良く求められない。 On the other hand, reference numeral 35B (lower stage) in FIG. 7 shows a case where a mode-locked laser beam in which the repetition frequencies f rep1 , f rep2 and the offset frequency f ceo are not accurately controlled is used as the measurement light L1 and the reference light L2. Interference waveform. In this case, the relative position between the peak position u of the interference waveform of the first interference signal component SG1 and the first peak position P1 of the envelope waveform 36 of the first interference signal component SG1 is not stable and can be obtained in advance. In addition, the relative position between the peak position u of the interference waveform of the second interference signal component SG2 and the second peak position P2 of the envelope waveform 36 of the second interference signal component SG2 is not stable and cannot be obtained in advance. For this reason, even if two peak positions u are detected by frequency analysis of the interference signal SG, there is an error between the peak positions P1 and P2, and therefore the absolute distance D is accurately determined from each peak position u. It is not required.

そこで、信号処理部27は、干渉信号SGの干渉波形(信号波形)に基づき、干渉信号SGの包絡波形36を生成する。この包絡波形36には、第1干渉信号成分SG1及び第2干渉信号成分SG2の双方の包絡波形36が含まれる。そして、信号処理部27は、生成した包絡波形36から第1干渉信号成分SG1に対応する第1ピーク位置P1と、第2干渉信号成分SG2に対応する第2ピーク位置P2とを個別に検出して、絶対距離Dを求める。   Therefore, the signal processing unit 27 generates an envelope waveform 36 of the interference signal SG based on the interference waveform (signal waveform) of the interference signal SG. The envelope waveform 36 includes envelope waveforms 36 of both the first interference signal component SG1 and the second interference signal component SG2. Then, the signal processing unit 27 individually detects the first peak position P1 corresponding to the first interference signal component SG1 and the second peak position P2 corresponding to the second interference signal component SG2 from the generated envelope waveform 36. Thus, the absolute distance D is obtained.

図8は、信号処理部27の機能を説明するための説明図である。図8に示すように、信号処理部27は、包絡波形生成部41と、ピーク位置検出部42と、距離決定部43として機能する。   FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the function of the signal processing unit 27. As shown in FIG. 8, the signal processing unit 27 functions as an envelope waveform generation unit 41, a peak position detection unit 42, and a distance determination unit 43.

包絡波形生成部41は、デジタイザ26から入力される干渉信号SGに基づき、干渉信号SGの包絡波形36を生成する。以下、包絡波形36の生成について詳細に説明する。   The envelope waveform generation unit 41 generates an envelope waveform 36 of the interference signal SG based on the interference signal SG input from the digitizer 26. Hereinafter, the generation of the envelope waveform 36 will be described in detail.

図9は、包絡波形生成部41による包絡波形36の生成を説明するための説明図である。図10は、包絡波形生成部41による包絡波形36の生成処理の流れを示すフローチャートである。   FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining generation of the envelope waveform 36 by the envelope waveform generation unit 41. FIG. 10 is a flowchart showing a flow of processing for generating the envelope waveform 36 by the envelope waveform generating unit 41.

図9の上段及び図10に示すように、包絡波形生成部41は、干渉信号SGをヒルベルト変換して、元の干渉信号SGに対して90°の位相差を持った変換信号STを生成する(ステップS1)。なお、ヒルベルト変換の具体的な手法については公知技術であるので、ここでは具体的な説明は省略する。   As shown in the upper part of FIG. 9 and FIG. 10, the envelope waveform generation unit 41 performs a Hilbert transform on the interference signal SG and generates a converted signal ST having a phase difference of 90 ° with respect to the original interference signal SG. (Step S1). In addition, since the specific method of Hilbert transform is a well-known technique, specific description is abbreviate | omitted here.

また、包絡波形生成部41は、ヒルベルト変換による変換信号STの時間的な遅延に応じて干渉信号SGを遅延させた遅延信号SDを生成する(ステップS2)。   Further, the envelope waveform generation unit 41 generates a delayed signal SD obtained by delaying the interference signal SG according to the temporal delay of the converted signal ST by the Hilbert transform (step S2).

そして、包絡波形生成部41は、生成した変換信号ST及び遅延信号SDをそれぞれ二乗した後(ステップS3及びステップS4)、二乗された信号同士を足し合わせる(ステップS5)。   Then, the envelope waveform generation unit 41 squares the generated conversion signal ST and delay signal SD (step S3 and step S4), and then adds the squared signals (step S5).

次いで、包絡波形生成部41は、ステップS5にて足し合わせた信号の平方根を求める(ステップS6)。これにより、図9の下段に示すように、干渉信号SGの包絡波形36、すなわち第1干渉信号成分SG1及び第2干渉信号成分SG2の双方の包絡波形36が生成される(ステップS7)。   Next, the envelope waveform generation unit 41 obtains the square root of the signal added in step S5 (step S6). As a result, as shown in the lower part of FIG. 9, an envelope waveform 36 of the interference signal SG, that is, an envelope waveform 36 of both the first interference signal component SG1 and the second interference signal component SG2 is generated (step S7).

図8に戻って、ピーク位置検出部42は、干渉信号SG(第1干渉信号成分SG1及び第2干渉信号成分SG2)の包絡波形36から、第1ピーク位置P1と第2ピーク位置P2とをそれぞれ検出する。例えば、ピーク位置検出部42は、包絡波形36の波形解析を行って包絡波形36内の2箇所の極大値を検出することにより、第1ピーク位置P1及び第2ピーク位置P2を検出する。なお、波形解析により極大値を検出する方法は公知技術であり、公知の各種方法を採用してもよい。   Returning to FIG. 8, the peak position detector 42 calculates the first peak position P1 and the second peak position P2 from the envelope waveform 36 of the interference signal SG (first interference signal component SG1 and second interference signal component SG2). Detect each. For example, the peak position detection unit 42 detects the first peak position P <b> 1 and the second peak position P <b> 2 by performing waveform analysis of the envelope waveform 36 and detecting two local maximum values in the envelope waveform 36. Note that a method for detecting a local maximum value by waveform analysis is a known technique, and various known methods may be employed.

また、ピーク位置検出部42は、例えば干渉信号SGのサンプリング間隔が長く設定されている等の理由により、包絡波形36の各ピーク位置P1,P2にそれぞれ対応する部分のデータ(点)の間隔があいている場合、個々のデータの間の値を内挿(補間)してもよい。そして、ピーク位置検出部42は、各ピーク位置P1,P2の検出結果を距離決定部43へ出力する。   Further, the peak position detection unit 42 has data (point) intervals corresponding to the peak positions P1 and P2 of the envelope waveform 36 due to, for example, a long sampling interval of the interference signal SG. In the case of being open, values between individual data may be interpolated. Then, the peak position detection unit 42 outputs the detection results of the peak positions P1 and P2 to the distance determination unit 43.

距離決定部43は、ピーク位置検出部42から入力された各ピーク位置P1,P2の検出結果と、周波数カウンタ25から入力された繰り返し周波数検出結果(frep1,frep2)とに基づき、基準面17aから測定対象物9までの絶対距離Dを決定する。 Based on the detection results of the peak positions P1 and P2 input from the peak position detection unit 42 and the repetition frequency detection results (f rep1 and f rep2 ) input from the frequency counter 25, the distance determination unit 43 The absolute distance D from 17a to the measuring object 9 is determined.

具体的に距離決定部43は、ピーク位置検出部42から入力された各ピーク位置P1,P2の検出結果に基づき、第1ピーク位置P1と第2ピーク位置P2との間のサンプリング数ΔN(図6参照)を求める。このサンプリング数ΔNは、既述の通り絶対距離Dを示す値である。   Specifically, the distance determination unit 43 determines the number of samples ΔN between the first peak position P1 and the second peak position P2 based on the detection results of the peak positions P1 and P2 input from the peak position detection unit 42 (see FIG. 6). This sampling number ΔN is a value indicating the absolute distance D as described above.

また、距離決定部43は、周波数カウンタ25から入力された繰り返し周波数検出結果に基づき、「サンプリング数」を実際の「距離」に換算するための換算係数[c/frep1−c/frep2](m/Sample)を求める。なお、光速cは光が通過する媒質の屈折率により変化するため、補正する必要がある。例えば、光波測長機においては気温、気圧、湿度を測定することにより空気の屈折率を求め、光速を補正することにより幾何学的距離に対する測長精度を向上させている。 In addition, the distance determination unit 43 converts the “sampling number” into an actual “distance” based on the repetition frequency detection result input from the frequency counter 25 [c / f rep1 −c / f rep2 ]. Calculate (m / Sample). The speed of light c needs to be corrected because it changes depending on the refractive index of the medium through which the light passes. For example, in an optical wave length measuring device, the refractive index of air is obtained by measuring air temperature, atmospheric pressure, and humidity, and the measurement accuracy with respect to the geometric distance is improved by correcting the speed of light.

距離決定部43は、先に検出したサンプリング数ΔNを上記換算係数で距離に換算することより、絶対距離Dを決定する。以上で絶対距離Dの測定が完了する。距離決定部43は、絶対距離Dの測定結果を表示部28と記憶部29とにそれぞれ出力する。これにより、表示部28による絶対距離Dの測定結果の表示と、記憶部29による絶対距離Dの測定結果の記憶とが実行される。   The distance determination unit 43 determines the absolute distance D by converting the previously detected sampling number ΔN into a distance using the conversion coefficient. This completes the measurement of the absolute distance D. The distance determination unit 43 outputs the measurement result of the absolute distance D to the display unit 28 and the storage unit 29, respectively. Thereby, the display of the measurement result of the absolute distance D by the display unit 28 and the storage of the measurement result of the absolute distance D by the storage unit 29 are executed.

[距離測定装置の作用]
図11は、上記構成の距離測定装置10による測定対象物9までの絶対距離Dの測定処理(本発明の距離測定方法)の流れを示すフローチャートである。
[Operation of distance measuring device]
FIG. 11 is a flowchart showing the flow of the measurement process (the distance measurement method of the present invention) of the absolute distance D to the measurement object 9 by the distance measurement device 10 having the above configuration.

図11に示すように、ユーザが測定対象物9を距離測定装置10の所定の位置にセットした後、不図示の操作部にて測定開始操作を行うと、モードロックレーザ光源12,13がそれぞれ作動する。これにより、モードロックレーザ光源12から第1繰り返し周波数frep1の測定光L1が出射されると共に、モードロックレーザ光源13から第2繰り返し周波数frep2の参照光L2が出射される(ステップS10、本発明の第1出射ステップ及び第2出射ステップに相当)。 As shown in FIG. 11, when the user sets the measurement object 9 at a predetermined position of the distance measuring device 10 and then performs a measurement start operation using an operation unit (not shown), the mode-locked laser light sources 12 and 13 are respectively connected. Operate. Thereby, the measurement light L1 having the first repetition frequency f rep1 is emitted from the mode-locked laser light source 12, and the reference light L2 having the second repetition frequency f rep2 is emitted from the mode-locked laser light source 13 (Step S10, this) Equivalent to the first emission step and the second emission step of the invention).

モードロックレーザ光源12から出射された測定光L1は、カプラ15にて2分割され、一方がファイバサーキュレータ16を経てセンサヘッド17に入力されると共に、他方が光電変換器21に入力される。   The measurement light L1 emitted from the mode-locked laser light source 12 is divided into two by the coupler 15, one of which is input to the sensor head 17 via the fiber circulator 16 and the other is input to the photoelectric converter 21.

センサヘッド17に入力された測定光L1の一部は、基準面17aで反射されると共に、測定光Lの残りはセンサヘッド17から測定対象物9に向けて出射され、測定対象物9にて反射されてセンサヘッド17に入射する。これにより、測定対象物9にて反射された第1反射光R1と、基準面17aにて反射された第2反射光R2とが、センサヘッド17からファイバサーキュレータ16を経てカプラ19に入力される。   A part of the measurement light L1 input to the sensor head 17 is reflected by the reference surface 17a, and the rest of the measurement light L is emitted from the sensor head 17 toward the measurement target 9, and the measurement target 9 The light is reflected and enters the sensor head 17. As a result, the first reflected light R1 reflected by the measurement object 9 and the second reflected light R2 reflected by the reference surface 17a are input from the sensor head 17 to the coupler 19 via the fiber circulator 16. .

一方、モードロックレーザ光源13から出射された参照光L2は、カプラ18にて2分割され、一方がカプラ19に入力されると共に、他方が光電変換器22に入力される。   On the other hand, the reference light L 2 emitted from the mode-locked laser light source 13 is divided into two by the coupler 18, and one is input to the coupler 19 and the other is input to the photoelectric converter 22.

カプラ19に入力された第1反射光R1、第2反射光R2、及び参照光L2はカプラ19にて合波されて干渉信号SGとなる。この干渉信号SGは、カプラ19にて2分割された後、差動光電変換器20に向けて出射される。これにより、干渉信号SGが差動光電変換器20により検出されて電気信号(差動信号)に変換された後、差動光電変換器20からデジタイザ26に向けて出力される(ステップS11、本発明の干渉信号検出ステップに相当)。   The first reflected light R1, the second reflected light R2, and the reference light L2 input to the coupler 19 are combined by the coupler 19 to become an interference signal SG. The interference signal SG is divided into two by the coupler 19 and then emitted toward the differential photoelectric converter 20. As a result, the interference signal SG is detected by the differential photoelectric converter 20 and converted into an electrical signal (differential signal), and then output from the differential photoelectric converter 20 toward the digitizer 26 (step S11, main signal). Equivalent to the interference signal detection step of the invention).

測定光L1の入力を受けた光電変換器21は、測定光L1を光電変換し、測定光L1の検出信号MG1をミキサ23と周波数カウンタ25とにそれぞれ出力する。また、参照光L2の入力を受けた光電変換器22は、参照光L2を光電変換し、参照光L2の検出信号MG2をミキサ23と周波数カウンタ25とデジタイザ26とにそれぞれ出力する。   Upon receiving the measurement light L1, the photoelectric converter 21 photoelectrically converts the measurement light L1 and outputs a detection signal MG1 of the measurement light L1 to the mixer 23 and the frequency counter 25, respectively. The photoelectric converter 22 that has received the input of the reference light L2 photoelectrically converts the reference light L2, and outputs a detection signal MG2 of the reference light L2 to the mixer 23, the frequency counter 25, and the digitizer 26, respectively.

検出信号MG1,MG2の入力を受けたミキサ23は、既述の和の周波数を有する信号と、差の周波数を有する信号とを生成して、両信号をローパスフィルタ24へ出力する。そして、ローパスフィルタ24からデジタイザ26に向けて、差の周波数[|frep1−frep2|](Hz)を有する信号のみがトリガ信号として出力される。 Receiving the detection signals MG1 and MG2, the mixer 23 generates a signal having the aforementioned sum frequency and a signal having the difference frequency, and outputs both signals to the low-pass filter 24. Then, only a signal having a difference frequency [| f rep1 −f rep2 |] (Hz) is output from the low pass filter 24 to the digitizer 26 as a trigger signal.

また、検出信号MG1,MG2の入力を受けた周波数カウンタ25は、検出信号MG1から測定光L1の第1繰り返し周波数frep1を検出すると共に、検出信号MG2から参照光L2の第2繰り返し周波数frep2を検出する。そして、周波数カウンタ25は、繰り返し周波数検出結果を信号処理部27の距離決定部43へ出力する。 Further, the frequency counter 25 that has received the detection signals MG1 and MG2 detects the first repetition frequency f rep1 of the measurement light L1 from the detection signal MG1, and at the same time detects the second repetition frequency f rep2 of the reference light L2 from the detection signal MG2. Is detected. Then, the frequency counter 25 outputs the repetition frequency detection result to the distance determination unit 43 of the signal processing unit 27.

デジタイザ26は、ローパスフィルタ24から入力されるトリガ信号と、光電変換器22からサンプリングクロックとして入力される検出信号MG2の周波数「frep2」(Hz)とに基づき、差動光電変換器20から入力される干渉信号SGのサンプリング及びデジタイズを行う。これにより、デジタイザ26にトリガ信号が入力される毎に、デジタイザ26から信号処理部27に向けてデジタイズされた干渉信号SGが出力される。 The digitizer 26 is input from the differential photoelectric converter 20 based on the trigger signal input from the low-pass filter 24 and the frequency “f rep2 ” (Hz) of the detection signal MG2 input as a sampling clock from the photoelectric converter 22. The interference signal SG to be sampled is sampled and digitized. Thus, every time a trigger signal is input to the digitizer 26, the digitized interference signal SG is output from the digitizer 26 to the signal processing unit 27.

デジタイザ26から干渉信号SGの入力を受けた包絡波形生成部41は、既述の図9及び図10のステップS1〜S7で説明したように、ヒルベルト変換を用いて干渉信号SGの包絡波形36を生成する(ステップS12、本発明の包絡波形生成ステップに相当)。   The envelope waveform generation unit 41 that has received the input of the interference signal SG from the digitizer 26 generates the envelope waveform 36 of the interference signal SG using the Hilbert transform, as described in steps S1 to S7 of FIGS. (Step S12, corresponding to the envelope waveform generation step of the present invention).

次いで、ピーク位置検出部42は、包絡波形36内の各ピーク位置P1,P2にそれぞれ対応する部分において必要に応じて内挿(補間)を行った後(ステップS13,S14)、包絡波形36の波形解析を行って包絡波形36内の2箇所の極大値を検出する。これにより、ピーク位置検出部42によって、既述の図6に示した第1ピーク位置P1及び第2ピーク位置P2が検出され、各ピーク位置P1,P2の検出結果が距離決定部43へ出力される(ステップS15,S16、本発明のピーク位置検出ステップに相当)。   Next, the peak position detection unit 42 performs interpolation (interpolation) as necessary at portions corresponding to the peak positions P1 and P2 in the envelope waveform 36 (steps S13 and S14), and then Waveform analysis is performed to detect two maximum values in the envelope waveform 36. As a result, the first peak position P1 and the second peak position P2 shown in FIG. 6 described above are detected by the peak position detection unit 42, and the detection results of the peak positions P1 and P2 are output to the distance determination unit 43. (Steps S15 and S16, corresponding to the peak position detection step of the present invention).

各ピーク位置P1,P2の検出結果及び繰り返し周波数検出結果の入力を受けた距離決定部43は、前者から第1ピーク位置P1と第2ピーク位置P2との間のサンプリング数ΔN(図6参照)を求め(ステップS17)、後者から既述の換算係数[c/frep1−c/frep2](m/Sample)を求める。なお、換算係数については、周波数カウンタ25から繰り返し周波数検出結果の入力を受けた時点で求めてもよい。 The distance determination unit 43 that has received the detection results of the peak positions P1 and P2 and the detection result of the repetition frequency detects the sampling number ΔN between the first peak position P1 and the second peak position P2 from the former (see FIG. 6). (Step S17), and the conversion coefficient [c / f rep1 −c / f rep2 ] (m / Sample) described above is obtained from the latter. Note that the conversion coefficient may be obtained when a frequency detection result is repeatedly input from the frequency counter 25.

次いで、距離決定部43は、サンプリング数ΔNを上記換算係数で距離に換算することで、絶対距離Dを決定する(ステップS18,本発明の距離決定ステップに相当)。以上で絶対距離Dの測定が完了する。そして、距離決定部43は、絶対距離Dの距離測定結果を表示部28と記憶部29とにそれぞれ出力する(ステップS19)。これにより、絶対距離Dの測定結果が表示部28に表示されると共に、記憶部29に記憶される。   Next, the distance determining unit 43 determines the absolute distance D by converting the sampling number ΔN into the distance using the conversion factor (step S18, corresponding to the distance determining step of the present invention). This completes the measurement of the absolute distance D. Then, the distance determination unit 43 outputs the distance measurement result of the absolute distance D to the display unit 28 and the storage unit 29 (step S19). Thereby, the measurement result of the absolute distance D is displayed on the display unit 28 and stored in the storage unit 29.

[本実施形態の効果]
以上のように本実施形態の距離測定装置10は、基準面17aにて反射された第1反射光R1と、測定対象物9にて反射された第2反射光R2と、参照光L2との干渉信号の包絡波形36を生成し、この包絡波形36から各ピーク位置P1,P2を検出することで、基準面17aを基準とした測定対象物9までの絶対距離Dを測定できる。このため、本実施形態では、光周波数コムを用いることなく、絶対距離Dの測定が可能となる。これにより、モードロックレーザ光のオフセット周波数及び繰り返し周波数を精度良く制御するための構成が不要となると共に、光周波数コムを用いる場合のように超高周波の電気信号を扱う必要がなくなるため、距離測定装置10が低コスト且つコンパクトな構成になる。また、距離測定装置10は、干渉計の構成を採用しているので、高精度な距離測定が可能となる。さらに、距離測定装置10は、多波長干渉計の構成を採用する必要がないので、長レンジの測定にも対応できる。その結果、長レンジ且つ高精度の距離測定を低コストかつコンパクトな構成で実施できる。
[Effect of this embodiment]
As described above, the distance measuring apparatus 10 of the present embodiment includes the first reflected light R1 reflected by the reference surface 17a, the second reflected light R2 reflected by the measurement object 9, and the reference light L2. By generating an envelope waveform 36 of the interference signal and detecting each peak position P1, P2 from the envelope waveform 36, the absolute distance D to the measurement object 9 with the reference plane 17a as a reference can be measured. For this reason, in this embodiment, the absolute distance D can be measured without using an optical frequency comb. This eliminates the need for a configuration for accurately controlling the offset frequency and the repetition frequency of the mode-locked laser beam, and eliminates the need to handle an ultra-high frequency electric signal as in the case of using an optical frequency comb. The device 10 has a low cost and a compact configuration. Moreover, since the distance measuring device 10 employs the configuration of an interferometer, it is possible to measure the distance with high accuracy. Furthermore, since the distance measuring device 10 does not need to employ the configuration of a multi-wavelength interferometer, the distance measuring device 10 can cope with a long range measurement. As a result, distance measurement with a long range and high accuracy can be performed with a low-cost and compact configuration.

また、本実施形態では、センサヘッド17の基準面17aで測定光L1の一部を反射させているので、この基準面17aを基準位置とした距離測定が可能になる。これにより、高精度な距離測定が可能となる。   In the present embodiment, since a part of the measurement light L1 is reflected by the reference surface 17a of the sensor head 17, distance measurement using the reference surface 17a as a reference position becomes possible. Thereby, highly accurate distance measurement becomes possible.

[その他]
上記実施形態では、測定光L1の一部をセンサヘッド17の基準面17aで反射することにより第2反射光R2を生成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばカプラ15から出力された測定光L1の光路中に測定光L1を2分割するプリズムを設け、測定光L1の一方をセンサヘッド17に向けて出力し、測定光L1の他方をミラー及びコーナキューブプリズム等の反射体に向けて出射することで、第1反射光R1及び第2反射光R2を生成してもよい。
[Others]
In the said embodiment, although 2nd reflected light R2 is produced | generated by reflecting a part of measurement light L1 with the reference surface 17a of the sensor head 17, this invention is not limited to this. For example, a prism for dividing the measurement light L1 into two is provided in the optical path of the measurement light L1 output from the coupler 15, and one of the measurement light L1 is output toward the sensor head 17, and the other of the measurement light L1 is a mirror and a corner cube. You may produce | generate 1st reflected light R1 and 2nd reflected light R2 by radiating | emitting toward reflectors, such as a prism.

上記実施形態では、光ファイバケーブルF1〜F9を用いた距離測定装置10を例に挙げて説明したが、他の導光部材を用いる装置或いは導光部材を用いない装置にも本発明を適用することができる。また、距離測定装置10に設けられているカプラ15,18,19、ファイバサーキュレータ16、センサヘッド17、差動光電変換器20、光電変換器21,22、ミキサ23、ローパスフィルタ24、周波数カウンタ25、デジタイザ26、及び信号処理部27等についても同等の機能を有するもので置換してもよい。さらに、ミキサ23、ローパスフィルタ24、周波数カウンタ25、デジタイザ26、及び信号処理部27のうちの複数が一体化されていてもよい。   In the above embodiment, the distance measuring device 10 using the optical fiber cables F1 to F9 has been described as an example, but the present invention is also applied to a device using another light guide member or a device not using the light guide member. be able to. Also, couplers 15, 18, 19, fiber circulator 16, sensor head 17, differential photoelectric converter 20, photoelectric converters 21, 22, mixer 23, low-pass filter 24, frequency counter 25 provided in the distance measuring device 10. The digitizer 26, the signal processing unit 27, and the like may be replaced with those having the same function. Further, a plurality of the mixer 23, the low-pass filter 24, the frequency counter 25, the digitizer 26, and the signal processing unit 27 may be integrated.

上記実施形態では、測定光L1及び参照光L2としてモードロックレーザ光を用いているが、光周波数コムを用いた場合であっても同様に距離測定を行うことができる。   In the above embodiment, mode-locked laser light is used as the measurement light L1 and the reference light L2. However, distance measurement can be similarly performed even when an optical frequency comb is used.

本発明は、測定対象物9までの絶対距離Dを測定するだけでなく、例えば絶対距離Dの測定結果に基づき測定対象物9の形状を測定する形状測定装置などのように、絶対距離Dの測定結果に基づき各種測定(計測)を行う装置にも適用可能である。   The present invention not only measures the absolute distance D to the measurement object 9, but also the absolute distance D such as a shape measuring device that measures the shape of the measurement object 9 based on the measurement result of the absolute distance D, for example. The present invention is also applicable to an apparatus that performs various measurements (measurements) based on measurement results.

9…測定対象物,10…距離測定装置,12,13…モードロックレーザ光源,17…センサヘッド,17a…基準面,20…差動光電変換器,21,22…光電変換器,25…周波数カウンタ,26…デジタイザ,27…信号処理部,36…包絡波形,41…包絡波形生成部,42…ピーク位置検出部,43…距離決定部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Measuring object, 10 ... Distance measuring device 12, 13 ... Mode lock laser light source, 17 ... Sensor head, 17a ... Reference plane, 20 ... Differential photoelectric converter, 21, 22 ... Photoelectric converter, 25 ... Frequency Counter 26, Digitizer 27 Signal processing unit 36 Envelope waveform 41 Envelope waveform generation unit 42 Peak position detection unit 43 Distance determination unit

Claims (7)

第1繰り返し周波数の測定光を出射する第1光源であって、基準面と測定対象物とにそれぞれ入射される前記測定光を出射する第1光源と、
前記第1繰り返し周波数とは異なる第2繰り返し周波数の参照光を出射する第2光源と、
前記基準面にて反射された前記測定光の第1反射光と、前記測定対象物にて反射された前記測定光の第2反射光と、前記第2光源から出射された前記参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、
前記干渉信号検出部が検出した前記干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成部と、
前記包絡波形生成部が生成した前記包絡波形から、第1反射光及び前記参照光の第1干渉信号成分に対応する第1ピーク位置と、第2反射光及び前記参照光の第2干渉信号成分に対応する第2ピーク位置とを検出するピーク位置検出部と、
前記ピーク位置検出部が検出した前記第1ピーク位置及び前記第2ピーク位置に基づき、前記基準面を基準とした前記測定対象物までの距離を決定する距離決定部と、
を備える距離測定装置。
A first light source that emits measurement light having a first repetition frequency, the first light source that emits the measurement light incident on a reference surface and a measurement object, and
A second light source that emits reference light having a second repetition frequency different from the first repetition frequency;
A first reflected light of the measurement light reflected by the reference surface, a second reflected light of the measurement light reflected by the measurement object, and the reference light emitted from the second light source, An interference signal detector for detecting the interference signal of
An envelope waveform generation unit that generates an envelope waveform of the interference signal detected by the interference signal detection unit;
From the envelope waveform generated by the envelope waveform generation unit, a first peak position corresponding to the first interference signal component of the first reflected light and the reference light, and the second interference signal component of the second reflected light and the reference light A peak position detector for detecting a second peak position corresponding to
A distance determination unit that determines a distance to the measurement object based on the reference plane based on the first peak position and the second peak position detected by the peak position detection unit;
A distance measuring device comprising:
前記包絡波形生成部は、ヒルベルト変換を用いて前記包絡波形を生成する請求項1に記載の距離測定装置。   The distance measuring device according to claim 1, wherein the envelope waveform generation unit generates the envelope waveform using Hilbert transform. 前記包絡波形生成部は、前記干渉信号をヒルベルト変換した変換信号と、前記ヒルベルト変換による前記変換信号の遅延に応じて前記干渉信号を遅延させた遅延信号とに基づき、前記包絡波形を生成する請求項2に記載の距離測定装置。   The envelope waveform generation unit generates the envelope waveform based on a converted signal obtained by converting the interference signal into a Hilbert transform and a delayed signal obtained by delaying the interference signal according to a delay of the converted signal due to the Hilbert transform. Item 3. The distance measuring device according to Item 2. 前記測定光の前記第1繰り返し周波数及び前記参照光の前記第2繰り返し周波数をそれぞれ取得する繰り返し周波数取得部を備え、
前記距離決定部は、前記ピーク位置検出部が検出した前記第1ピーク位置及び第2ピーク位置との差分と、前記繰り返し周波数取得部が取得した前記第1繰り返し周波数及び前記第2繰り返し周波数とに基づき、前記距離の決定を行う請求項1から3のいずれか1項に記載の距離測定装置。
A repetition frequency acquisition unit that acquires the first repetition frequency of the measurement light and the second repetition frequency of the reference light, respectively.
The distance determination unit includes a difference between the first peak position and the second peak position detected by the peak position detection unit, and the first repetition frequency and the second repetition frequency acquired by the repetition frequency acquisition unit. The distance measuring device according to claim 1, wherein the distance is determined based on the distance.
前記測定光及び前記参照光は、光周波数コムとは異なるモードロックレーザ光である請求項1から4のいずれか1項に記載の距離測定装置。   The distance measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the measurement light and the reference light are mode-locked laser light different from an optical frequency comb. 前記第1光源から入力された前記測定光の一部を反射する端面を有しており、前記測定光の残りを前記測定対象物に向けて出射し、且つ前記測定対象物にて反射された前記第1反射光が入射する端面反射型のセンサヘッドを備え、
前記基準面は、前記センサヘッドの前記端面である請求項1から5のいずれか1項に記載の距離測定装置。
It has an end surface that reflects a part of the measurement light input from the first light source, and the rest of the measurement light is emitted toward the measurement object and reflected by the measurement object. An end face reflection type sensor head on which the first reflected light is incident;
The distance measuring device according to claim 1, wherein the reference surface is the end surface of the sensor head.
第1光源から第1繰り返し周波数の測定光を出射させて、前記測定光を基準面と測定対象物とにそれぞれ入射させる第1出射ステップと、
前記第1繰り返し周波数とは異なる第2繰り返し周波数の参照光を第2光源から出射する第2出射ステップと、
前記基準面にて反射された前記測定光の第1反射光と、前記測定対象物にて反射された前記測定光の第2反射光と、前記第2光源から出射された前記参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、
前記干渉信号検出ステップで検出した前記干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成ステップと、
前記包絡波形生成ステップで生成した前記包絡波形から、第1反射光及び前記参照光の第1干渉信号成分に対応する第1ピーク位置と、第2反射光及び前記参照光の第2干渉信号成分に対応する第2ピーク位置とを検出するピーク位置検出ステップと、
前記ピーク位置検出ステップで検出した前記第1ピーク位置及び第2ピーク位置に基づき、前記基準面を基準とした前記測定対象物までの距離を決定する距離決定ステップと、
を有する距離測定方法。
A first emission step of emitting measurement light having a first repetition frequency from a first light source and causing the measurement light to enter a reference surface and a measurement object, respectively;
A second emission step of emitting a reference light having a second repetition frequency different from the first repetition frequency from the second light source;
A first reflected light of the measurement light reflected by the reference surface, a second reflected light of the measurement light reflected by the measurement object, and the reference light emitted from the second light source, An interference signal detection step of detecting an interference signal of
An envelope waveform generation step for generating an envelope waveform of the interference signal detected in the interference signal detection step;
From the envelope waveform generated in the envelope waveform generation step, a first peak position corresponding to the first interference signal component of the first reflected light and the reference light, and the second interference signal component of the second reflected light and the reference light A peak position detecting step for detecting a second peak position corresponding to
A distance determining step for determining a distance to the measurement object based on the reference plane based on the first peak position and the second peak position detected in the peak position detecting step;
A distance measuring method.
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