JP2022128698A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学式距離計においてスループットの低減を抑制しつつ、高精度な距離測定をできるようにする。【解決手段】メインローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させる分岐部と、測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、モニタ光からメインローブに基づく複数の自己ビート信号を含む信号成分を抽出する抽出部と、信号成分に基づき、レーザ共振器の共振器周波数を特定する特定部と、共振器周波数とビート信号とに基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を算出する算出部とを備える、測定装置。【選択図】図８

Description

本発明は、測定装置及び測定方法に関する。

共振器内に周波数シフタが設けられ、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードレーザを出力する周波数シフト帰還レーザ（ＦＳＦＬ：Frequency Shifted Feedback Laser）が知られている。また、このような周波数シフト帰還レーザを用いた光学式の距離計が知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１を参照）。また、周波数シフタとして、光ＳＳＢ（Single Side Band）変調器が知られている（例えば、特許文献２及び３を参照）。

特許第３５８３９０６号明細書 特許第３８６７１４８号明細書 特許第４５２４４８２号明細書

原武文，「ＦＳＦレーザによる距離センシングとその応用」，オプトニューズ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．３，２０１２年，ｐｐ．２５－３１

周波数シフト帰還レーザを用いた光学式距離計は、非接触で大量の三次元情報を取得可能であり、例えば、設計及び生産現場等で用いられてきた。周波数シフト帰還レーザは、温度等の環境変動によって共振器長が変動することがあるので、光学式距離計の測定精度を低減させてしまうことがあった。測定精度の低減を防止すべく、共振器周波数を複数回測定することが考えられるが、この場合、測定時間が長くなるのでスループットが低下してしまうことになる。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、光学式距離計においてスループットの低減を抑制しつつ、高精度な距離測定をできるようにすることを目的とする。

本発明の第１の態様においては、周波数シフタをレーザ共振器内に有し、メインローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記モニタ光を変換することによって生成した電気信号から前記メインローブに基づく複数の自己ビート信号を含む信号成分を抽出する抽出部と、前記抽出部が抽出した信号成分に基づき、前記レーザ共振器の共振器周波数を特定する特定部と、前記特定部が特定した前記レーザ共振器の共振器周波数と前記ビート信号とに基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する算出部とを備える、測定装置を提供する。

前記抽出部は、前記モニタ光を前記電気信号に変換する光電変換部と、前記電気信号のうち前記レーザ共振器の共振器周波数の２倍以上の周波数を含む信号成分を通過させるフィルタ部とを有してもよい。

本発明の第２の態様においては、サイドローブを発生させる光ＳＳＢ変調器である周波数シフタをレーザ共振器内に有し、メインローブ及び前記サイドローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記モニタ光を変換することによって生成した電気信号から前記サイドローブに基づく自己ビート信号を含む信号成分を抽出する抽出部と、前記抽出部が抽出した信号成分に基づき、前記レーザ共振器の共振器周波数を特定する特定部と、前記特定部が特定した前記レーザ共振器の共振器周波数と前記ビート信号とに基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する算出部とを備える、測定装置を提供する。

前記抽出部は、前記モニタ光を前記電気信号に変換する光電変換部と、前記電気信号のうち前記レーザ共振器の共振器周波数未満の信号成分を通過させるフィルタ部とを有してもよい。

前記特定部は、前記レーザ共振器の共振器周波数をν_ｃ、前記周波数シフタのシフト周波数をν_ｓ、前記メインローブに基づく自己ビート信号の次数をｎ_ｃ、前記周波数シフタのシフト次数をｎ_ｓ、前記抽出部が抽出した信号成分に含まれているピーク周波数をν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）とすると、次式を用いて前記レーザ共振器の共振器周波数ν_ｃを特定してもよい。

前記メインローブに基づく自己ビート信号の次数ｎ_ｃの絶対値は、２以上であってもよい。

前記算出部は、前記ビート信号を周波数解析することにより得られた前記ビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ、ｄ）を用いて、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差ｄを次式により算出してもよく、

ここで、ｃは光速、ｍは前記周波数変調レーザ光の縦モード番号の間隔である。

本発明の第３の態様においては、周波数シフタをレーザ共振器内に有するレーザ装置から、メインローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させるステップと、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるステップと、前記モニタ光を電気信号に変換するステップと、前記電気信号から前記メインローブに基づく複数の自己ビート信号を含む信号成分を抽出するステップと、抽出した信号成分に基づき、前記レーザ共振器の共振器周波数を特定するステップと、特定した前記レーザ共振器の共振器周波数と前記ビート信号とに基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出するステップとを備える、測定方法を提供する。

本発明の第４の態様においては、サイドローブを発生させる光ＳＳＢ変調器である周波数シフタをレーザ共振器内に有するレーザ装置から、メインローブ及び前記サイドローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させるステップと、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるステップと、前記モニタ光を電気信号に変換するステップと、前記電気信号から前記サイドローブに基づく自己ビート信号を含む信号成分を抽出するステップと、抽出した信号成分に基づき、前記レーザ共振器の共振器周波数を特定するステップと、特定した前記レーザ共振器の共振器周波数と前記ビート信号とに基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出するステップとを備える、測定方法を提供する。

本発明によれば、光学式距離計においてスループットの低減を抑制しつつ、高精度な距離測定をできるという効果を奏する。

本実施形態に係る測定装置１００の構成例を計測対象物１０と共に示す。 本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。 本実施形態に係るレーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例を示す。 本実施形態に係る測定装置１００が検出するビート信号の周波数と、光ヘッド部１４０及び計測対象物１０の間の距離ｄとの関係の一例を示す。 本実施形態に係るビート信号発生部１５０及び変換部１６０の構成例を示す。 本実施形態に係るビート信号発生部１５０及び変換部１６０の直交検波の概略の一例を示す。 本実施形態に係る共振器周波数抽出部１７０の構成例を示す。 本実施形態に係る測定装置３００の構成例を計測対象物１０と共に示す。 本実施形態に係る抽出部３１０及び特定部３２０の構成例を示す。 本実施形態に係る光ＳＳＢ変調器３０と制御部５０の構成例を示す。 本実施形態に係る光ＳＳＢ変調器３０が出力する光スペクトルの一例を示す。 図１０に示す光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例を示す。 図１０に示す光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０が出力するレーザ光の自己ビートスペクトルの第１例を示す。 図１０に示す光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０が出力するレーザ光の自己ビートスペクトルの第２例を示す。 図１０に示す光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０が出力するレーザ光の自己ビートスペクトルの第３例を示す。 ｎ_ｃの絶対値が２以上となるｎ_ｓの条件の一例を示す。

［測定装置１００の構成例］
図１は、本実施形態に係る測定装置１００の構成例を計測対象物１０と共に示す図である。測定装置１００は、当該測定装置１００及び計測対象物１０の間の距離を光学的に測定する。また、測定装置１００は、計測対象物１０に照射するレーザ光の位置を走査して、計測対象物１０の三次元的な形状を計測してもよい。測定装置１００は、レーザ装置１１０と、分岐部１２０と、光サーキュレータ１３０と、光ヘッド部１４０と、ビート信号発生部１５０と、変換部１６０と、共振器周波数抽出部１７０と、算出部１８０と、表示部１９０とを備える。

レーザ装置１１０は、レーザ共振器を有し、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。レーザ装置１１０は、共振器内に周波数シフタが設けられ、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードレーザを出力する。レーザ装置１１０は、一例として、周波数シフト帰還レーザである。周波数シフト帰還レーザについては後述する。

分岐部１２０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。分岐部１２０は、例えば、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させる。分岐部１２０は、一例として、１入力３出力の光ファイバ型の光カプラである。図１の例において、分岐部１２０は、測定光を光サーキュレータ１３０に供給し、参照光をビート信号発生部１５０に供給し、モニタ光を共振器周波数抽出部１７０に供給する。図１は、分岐部１２０が１入力３出力の光カプラである例を示したが、これに代えて、分岐部１２０は、２つの１入力２出力の光カプラの組み合わせであってもよい。

光サーキュレータ１３０は、複数の入出力ポートを有する。光サーキュレータ１３０は、例えば、一のポートに入力した光を次のポートから出力させ、当該次のポートから入力する光を更に次のポートから出力させる。図１は、光サーキュレータ１３０が３つの入出力ポートを有する例を示す。この場合、光サーキュレータ１３０は、分岐部１２０から供給される測定光を光ヘッド部１４０に出力する。また、光サーキュレータ１３０は、光ヘッド部１４０から入力する光をビート信号発生部１５０へと出力する。

光ヘッド部１４０は、光サーキュレータ１３０から入力する光を計測対象物１０に向けて照射する。光ヘッド部１４０は、一例として、コリメータレンズを有する。この場合、光ヘッド部１４０は、光ファイバを介して光サーキュレータ１３０から入力する光をコリメータレンズでビーム状に調節してから出力する。

また、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０に照射した測定光の反射光を受光する。光ヘッド部１４０は、受光した反射光をコリメータレンズで光ファイバに集光して光サーキュレータ１３０に供給する。この場合、光ヘッド部１４０は、共通の１つのコリメータレンズを有し、当該コリメータレンズで、測定光を計測対象物１０に照射し、また、計測対象物１０からの反射光を受光してよい。なお、光ヘッド部１４０及び計測対象物１０の間の距離をｄとする。

これに代えて、光ヘッド部１４０は、集光レンズを有してもよい。この場合、光ヘッド部１４０は、光ファイバを介して光サーキュレータ１３０から入力する光を計測対象物１０の表面に集光する。そして、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０の表面で反射した反射光の少なくとも一部を受光する。光ヘッド部１４０は、受光した反射光を集光レンズで光ファイバに集光して光サーキュレータ１３０に供給する。この場合においても、光ヘッド部１４０は、共通の１つの集光レンズを有し、当該集光レンズで、測定光を計測対象物１０に照射し、また、計測対象物１０からの反射光を受光してよい。

ビート信号発生部１５０は、測定光を計測対象物１０に照射して反射された反射光を光サーキュレータ１３０から受けとる。また、ビート信号発生部１５０は、分岐部１２０から参照光を受けとる。ビート信号発生部１５０は、反射光及び参照光を混合してビート信号を発生させる。ビート信号発生部１５０は、例えば、光電変換素子を有し、ビート信号を電気信号に変換して出力する。

ここで、反射光は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離を往復しているので、参照光と比較して少なくとも距離２ｄに応じた伝搬距離の差が生じることになる。レーザ装置１１０が出力する光は、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化するので、参照光及び反射光の発振周波数は、当該伝搬距離の差に対応する伝搬遅延に応じた周波数差が生じる。ビート信号発生部１５０は、このような周波数差に対応するビート信号を発生させる。

変換部１６０は、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数解析して、当該ビート信号の周波数を検出する。ここで、ビート信号の周波数をν_Ｂとする。

共振器周波数抽出部１７０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光に重畳されている、レーザ共振器の共振器周波数に対応する信号成分を抽出する。例えば、共振器周波数抽出部１７０は、モニタ光に基づき、周波数変調レーザ光に含まれる信号成分のうち、レーザ装置１１０の共振器長に対応する共振器周波数に等しい周波数の信号成分を抽出する。ここで、共振器周波数をν_ｃとする。

算出部１８０は、変換部１６０の検出結果及び共振器周波数抽出部１７０の抽出結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を算出する。例えば、算出部１８０は、ビート信号の周波数ν_Ｂ及び共振器周波数ν_ｃに基づき、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄを算出する。

表示部１９０は、算出部１８０の算出結果を表示する。表示部１９０は、ディスプレイ等を有し、算出結果を表示してよい。また、表示部１９０は、記憶部等に算出結果を記憶させてもよい。表示部１９０は、ネットワーク等を介して外部に算出結果を供給してもよい。

以上の測定装置１００は、計測対象物１０に照射した測定光の反射光と、参照光との間の周波数差を解析することにより、測定装置１００及び計測対象物１０の間の距離ｄを測定可能とする。即ち、測定装置１００は、非接触及び非破壊の光学式距離計を構成できる。測定装置１００のより詳細な構成について次に説明する。

［レーザ装置１１０の構成例］
図２は、本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。図２のレーザ装置１１０は、周波数シフト帰還レーザの一例を示す。レーザ装置１１０は、レーザ共振器内に周波数シフタを有し、当該レーザ共振器内でレーザ光を発振させる。レーザ装置１１０は、周波数シフタ１１２と、増幅媒体１１４と、ＷＤＭカプラ１１６と、ポンプ光源１１７、出力カプラ１１８とを有する。

周波数シフタ１１２は、入力する光の周波数を略一定の周波数だけシフトする。周波数シフタ１１２は、一例として、音響光学素子を有するＡＯＦＳ（Acousto-Optic Frequency Shifter）である。ここで、周波数シフタ１１２による周波数シフト量を＋ν_ｓとする。即ち、周波数シフタ１１２は、共振器を周回する光の周波数を、１周回毎にν_ｓだけ周波数が増加するようにシフトさせる。

増幅媒体１１４は、ポンプ光が供給され、入力光を増幅する。増幅媒体１１４は、一例として、不純物が添加された光ファイバである。不純物は、例えば、エルビウム、ネオジウム、イッテルビウム、テルビウム、ツリウム等の希土類元素である。また、増幅媒体１１４は、ＷＤＭカプラ１１６を介してポンプ光源１１７からポンプ光が供給される。出力カプラ１１８は、共振器内でレーザ発振した光の一部を外部に出力する。

即ち、図２に示すレーザ装置１１０は、共振器内に周波数シフタ１１２を有するファイバリングレーザを構成する。レーザ装置１１０は、共振器内にアイソレータを更に有することが望ましい。また、レーザ装置１１０は、予め定められた波長帯域の光を通過させる光バンドパスフィルタを共振器内に有してもよい。このようなレーザ装置１１０が出力するレーザ光の周波数特性について次に説明する。

図３は、本実施形態に係るレーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例を示す。図３に示すレーザ装置１１０が出力するレーザ光をメインローブと呼ぶ。図３は、時刻ｔ_０においてレーザ装置１１０が出力するレーザ光の光スペクトルを左側に示す。当該光スペクトルにおいては、横軸が光強度、縦軸が光の周波数を示す。また、光スペクトルの複数の縦モードを番号ｑで示す。複数のメインローブの縦モードの周波数は、略一定の周波数間隔で並ぶ。ここで、光が共振器を１周する時間をτ_ＲＴ（＝１／ν_ｃ）とすると、複数のメインローブの縦モードは、次式のように１／τ_ＲＴ（＝ν_ｃ）間隔で並ぶことになる。なお、ν_０は、時刻ｔ_０における光スペクトルの初期周波数とする。

図３は、レーザ装置１１０が出力する複数のメインローブの縦モードの時間経過にともなう周波数の変化を右側に示す。図３の右側においては、横軸が時間、縦軸が周波数を示す。即ち、図３は、レーザ装置１１０が出力するメインローブの周波数の時間的な変化を右側に示し、当該レーザ光の時刻ｔ_０における瞬時周波数を左側に示したものである。

レーザ装置１１０は、共振器内の光が共振器を１周する毎に、周波数シフタ１１２が周回する光の周波数をν_ｓだけ増加させる。即ち、時間がτ_ＲＴ経過する毎に、各モードの周波数はν_ｓだけ増加するので、周波数の時間変化ｄν／ｄｔは、ν_ｓ／τ_ＲＴと略等しくなる。したがって、（数１）式で示した複数のメインローブの縦モードは、時間ｔの経過に伴って、次式のように変化する。

［距離測定処理の詳細］
本実施形態に係る測定装置１００は、（数２）式で示すような周波数成分を出力するレーザ装置１１０を用いて、光ヘッド部１４０及び計測対象物１０の間の距離ｄを測定する。ここで、参照光及び反射光の間の光路差が、距離ｄを往復した距離２ｄだけであり、距離２ｄに対応する伝搬遅延をΔｔとする。即ち、時刻ｔにおいて、測定光が計測対象物１０から反射して戻ってきた場合、戻ってきた反射光は、時刻ｔよりも時間Δｔだけ過去の周波数と略一致するので、次式で示すことができる。

一方、時刻ｔにおける参照光は、（数２）式と同様に次式で示すことができる。ここで、参照光をν_ｑ’（ｔ）とした。

ビート信号発生部１５０は、このような反射光及び参照光を重畳させるので、（数３）式の複数の縦モードと（数４）式で示す複数の縦モードとの間の複数のビート信号が発生することになる。このようなビート信号の周波数をν_Ｂ（ｍ，ｄ）とすると、ν_Ｂ（ｍ，ｄ）は、（数３）式及び（数４）式より次式で示すことができる。なお、ｍを縦モード番号の間隔（＝ｑ－ｑ’）とし、Δｔ＝２ｄ／ｃとした。

（数５）式より、距離ｄは、次式のように示される。ここで、１／τ_ＲＴ＝ν_ｃとした。

（数６）式より、縦モード番号の間隔ｍを判別すれば、ビート信号の周波数観測結果から距離ｄを算出できることがわかる。なお、間隔ｍは、レーザ装置１１０の周波数シフト量ν_ｓを変化させた場合のビート信号の変化を検出することで、判別することができる。このような間隔ｍの判別方法は、特許文献１等に記載されているように既知であるから、ここでは詳細な説明を省略する。

観測されるビート信号は常に正の周波数であるから、計算上、負の周波数側に発生するビート信号は、正側に折り返され、イメージ信号として観測される。このようなイメージ信号の発生について、次に説明する。

図４は、本実施形態に係る測定装置１００が検出するビート信号の周波数と、光ヘッド部１４０及び計測対象物１０の間の距離ｄとの関係の一例を示す。図４の横軸は距離ｄを示し、縦軸はビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）を示す。図４の実線で示す複数の直線は、（数５）式に示したように、距離ｄに対するビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）の関係を、複数のｍ毎に示したグラフである。

図４のように、ｍの値に応じた複数のビート信号が発生する。しかしながら、反射光及び参照光のそれぞれに含まれる複数の縦モードは、略一定の周波数間隔ν_ｃで並ぶので、ｍの値が等しい複数のビート信号は周波数軸上では略同一の周波数に重畳されることになる。例えば、周波数０からν_ｃの間の周波数帯域を観測した場合、複数のビート信号は略同一の周波数に重畳されて、１本の線スペクトルとして観測される。

これに加えて、０よりも小さい負の領域のビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）は、周波数の絶対値がイメージ信号として更に観測される。即ち、図４の縦軸が０よりも小さい領域のグラフは、周波数０を境界として折り返される。図４は、折り返されたイメージ信号を、複数の点線で示す。折り返された複数のイメージ信号は、正負が反転するだけなので、観測される周波数軸上では折り返される前の周波数の絶対値と同一の周波数に重畳される。例えば、周波数０からν_ｃの間の周波数帯域を観測した場合、このようなビート信号及びイメージ信号は、周波数がそれぞれν_ｃ／２にならない限り、それぞれ異なる周波数に位置する。

このように、周波数０からν_ｃの間の観測帯域においては、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）と、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とはｍの値が異なるイメージ信号ν_Ｂ（ｍ’，ｄ）の２本の線スペクトルが発生する。ここで、一例として、ｍ’＝ｍ＋１である。この場合、ビート信号発生部１５０が直交検波を用いることで、このようなイメージ信号をキャンセルできる。そこで直交検波を用いたビート信号発生部１５０及び変換部１６０について、次に説明する。

［ビート信号発生部１５０及び変換部１６０の構成例］
図５は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０及び変換部１６０の構成例を示す。ビート信号発生部１５０は、反射光及び参照光を直交検波する。ビート信号発生部１５０は、光９０度ハイブリッド１５２と、第１光電変換部１５４と、第２光電変換部１５６とを有する。

光９０度ハイブリッド１５２は、入力する反射光及び参照光をそれぞれ２つに分岐させる。光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した一方の反射光と、分岐した一方の参照光とを光カプラ等で合波して第１ビート信号を発生させる。また、光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した他方の反射光と、分岐した他方の参照光とを光カプラ等で合波して第２ビート信号を発生させる。ここで、光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した２つの参照光の間に９０度の位相差を生じさせてから、ビート信号を発生させる。光９０度ハイブリッド１５２は、例えば、分岐した２つの参照光のうちいずれか一方に、π／２波長板を介してから反射光とそれぞれ合波させる。

第１光電変換部１５４及び第２光電変換部１５６は、合波した反射光及び参照光を受光して電気信号に変換する。第１光電変換部１５４及び第２光電変換部１５６のそれぞれは、フォトダイオード等でよい。第１光電変換部１５４及び第２光電変換部１５６のそれぞれは、一例として、バランス型フォトダイオードである。図５において、第１光電変換部１５４が第１ビート信号を発生させ、第２光電変換部１５６が第２ビート信号を発生させるものとする。以上のように、ビート信号発生部１５０は、位相を９０度異ならせた２つの参照光と反射光とをそれぞれ合波させて直交検波し、２つのビート信号を変換部１６０に出力する。

変換部１６０は、２つのビート信号を周波数解析する。ここでは、変換部１６０が、第１ビート信号をＩ信号とし、第２ビート信号をＱ信号として周波数解析する例を説明する。変換部１６０は、第１フィルタ部１６２、第２フィルタ部１６４、第１ＡＤ変換器２０２、第２ＡＤ変換器２０４、第１クロック信号供給部２１０、及び周波数解析部２２０を有する。

第１フィルタ部１６２及び第２フィルタ部１６４は、ユーザ等が周波数解析したい周波数帯域とは異なる周波数帯域の信号成分を低減させる。ここで、ユーザ等が周波数解析したい周波数帯域を０からν_ｃとする。第１フィルタ部１６２及び第２フィルタ部１６４は、例えば、周波数ν_ｃ以下の信号成分を通過させるローパスフィルタである。この場合、第１フィルタ部１６２は、周波数ν_ｃよりも高い周波数の信号成分を低減させた第１ビート信号を第１ＡＤ変換器２０２に供給する。また、第２フィルタ部１６４は、周波数ν_ｃよりも高い周波数の信号成分を低減させた第２ビート信号を第２ＡＤ変換器２０４に供給する。

第１ＡＤ変換器２０２及び第２ＡＤ変換器２０４は、入力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。例えば、第１ＡＤ変換器２０２は第１ビート信号をデジタル信号に変換し、第２ＡＤ変換器２０４は第２ビート信号をデジタル信号に変換する。第１クロック信号供給部２１０は、第１ＡＤ変換器２０２及び第２ＡＤ変換器２０４に第１クロック信号を供給する。これにより、第１ＡＤ変換器２０２及び第２ＡＤ変換器２０４は、受け取った第１クロック信号のクロック周波数と略同一の第１サンプリングレートでアナログ信号をデジタル信号に変換する。

ここで、観測帯域を０からν_ｃとすると、ビート信号の周波数は、最大でもレーザ共振器の共振器周波数ν_ｃである。したがって、第１クロック信号供給部２１０が、レーザ共振器の共振器周波数ν_ｃの２倍以上の周波数の第１クロック信号を、第１ＡＤ変換器２０２及び第２ＡＤ変換器２０４に供給することで、ビート信号を観測することができる。

周波数解析部２２０は、第１ビート信号及び第２ビート信号を周波数データに変換する。周波数解析部２２０は、一例として、第１ビート信号及び第２ビート信号をそれぞれデジタルフーリエ変換（ＤＦＴ）する。周波数解析部２２０は、周波数データに変換した第１ビート信号を実部、周波数データに変換した第２ビート信号を虚部として加算し、イメージ信号を相殺する。このように、変換部１６０は、ビート信号を第１サンプリングレートでデジタル信号に変換してから、当該デジタル信号を周波数解析する。なお、変換部１６０は、ビート信号がデジタル信号に変換された後は、集積回路等で周波数解析部２２０を構成してよい。以上のビート信号発生部１５０における直交検波と変換部１６０における周波数解析について、次に述べる。

［直交検波の概略］
図６は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０及び変換部１６０の直交検波の概略の一例を示す。図６の横軸はビート信号の周波数、縦軸は信号強度を示す。図６は、Ｉ信号及びＱ信号のいずれか一方の周波数スペクトルを示す。Ｉ信号及びＱ信号のいずれの周波数スペクトルも、図６の上側に示すように、略同一のスペクトル形状となる。Ｉ信号及びＱ信号は、例えば、周波数０からν_ｃの間の周波数帯域に、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）及びイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）が観測される。この場合、Ｉ信号及びＱ信号は、負側の周波数０から－ν_ｃの間の周波数帯域に、ビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）及びイメージ信号の元のビート信号－ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）が存在する。

ここで、Ｉ信号及びＱ信号は、ビート信号発生部１５０が直交検波した信号成分なので、スペクトル形状が同一であっても、異なる位相情報を含む。例えば、正側の周波数０からν_ｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号のイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）とＱ信号のイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）とは、互いに位相が反転する。同様に、負側の周波数０から－ν_ｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号のビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とＱ信号のビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とは、互いに位相が反転する。

したがって、図６の下側に示すように、周波数解析部２２０がＩ信号及びＱ信号を用いてＩ＋ｊＱを算出すると、周波数０からν_ｃの間の周波数帯域において、周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）のビート信号が強め合い、周波数ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）のイメージ信号が相殺される。同様に、周波数０から－ν_ｃの間の周波数帯域において、周波数－ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）のビート信号が強め合い、周波数－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）のビート信号が相殺される。

このような周波数解析部２２０の周波数解析結果により、周波数０からν_ｃの間の周波数帯域には１つのビート信号が周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）に観測されることになる。測定装置１００は、このようにして、イメージ信号をキャンセルできるので、ビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）を検出することができる。例えば、周波数解析部２２０は、変換した周波数信号の信号強度が最も高くなる周波数をビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）として出力する。

ここで、測定装置１００が測定する距離ｄは、（数６）式で示されている。（数６）式より、ν_ｃ、ν_ｓ、及びν_Ｂ（ｍ，ｄ）の３つの周波数を用いることで、距離ｄが算出できることがわかる。３つの周波数のうち、ν_Ｂ（ｍ，ｄ）は、以上のように、検出できることがわかる。また、ν_ｃ及びν_ｓは、レーザ装置１１０の部材によって定まる周波数なので、固定値となることが理想的である。ここで、ν_ｓは、周波数シフタ１１２による周波数シフト量なので、安定なシフト量を有するデバイスを周波数シフタ１１２として用いることで、実質的にほぼ固定値とみなすことができる。

その一方で、ν_ｃは、レーザ装置１１０の共振器の光学長に対応するので、温度等の環境変動によって変化してしまうことがある。例えば、レーザ装置１１０が図２で説明したようなファイバリングレーザであり、共振器が光ファイバで構成されている場合、環境温度が１℃変動すると、共振器長は１０ｐｐｍ程度変化することがある。なお、レーザ装置１１０が半導体レーザ等のように固体レーザであっても、このような環境変動によって共振器長が変化してしまうことがある。そこで、共振器周波数抽出部１７０は、このような共振器長の変化をモニタするために、共振器長に対応する共振器周波数を抽出する。このような共振器周波数抽出部１７０について次に説明する。

［共振器周波数抽出部１７０の構成例］
図７は、本実施形態に係る共振器周波数抽出部１７０の構成例を示す。共振器周波数抽出部１７０は、光電変換部を有し、当該光電変換部が変換した電気信号からレーザ共振器の共振器周波数に対応する信号成分を抽出する。共振器周波数抽出部１７０は、第３光電変換部１７２と、第３フィルタ部１７４と、第３ＡＤ変換器１７６と、共振器周波数出力部１７８を有する。

第３光電変換部１７２は、モニタ光を電気信号に変換する。第３光電変換部１７２は、フォトダイオード等でよい。レーザ装置１１０は、図３で説明したように、共振器周波数ν_ｃに略一致する周波数間隔で並ぶ複数の縦モードを有する周波数変調レーザ光を出力する。したがって、第３光電変換部１７２が当該周波数変調レーザ光を光電変換すると、共振器周波数ν_ｃを含む電気信号を出力することになる。

第３フィルタ部１７４は、第３光電変換部１７２が変換した電気信号のうちレーザ共振器の共振器周波数ν_ｃを有する信号成分を通過させる。第３フィルタ部１７４は、例えば、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、及びバンドリジェクションフィルタのうち、少なくとも１つのフィルタを有する。図７は、第３フィルタ部１７４がバンドパスフィルタである例を示す。

第３ＡＤ変換器１７６は、入力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。第３ＡＤ変換器１７６は、共振器周波数ν_ｃの２倍以上の周波数のクロック信号に同期して、アナログ信号をデジタル信号に変換する。第３ＡＤ変換器１７６は、一例として、第１クロック信号供給部２１０からクロック信号を受け取って動作する。

共振器周波数出力部１７８は、第３フィルタ部１７４を通過した信号成分を周波数解析する。共振器周波数出力部１７８は、まず、第３ＡＤ変換器１７６から出力されるデジタル信号を周波数データに変換する。共振器周波数出力部１７８は、一例として、デジタル信号をデジタルフーリエ変換（ＤＦＴ）する。そして、共振器周波数出力部１７８は、周波数データを解析して、共振器周波数ν_ｃを出力する。共振器周波数出力部１７８は、例えば、周波数データの信号強度が最も大きくなっている周波数を、共振器周波数ν_ｃとして出力する。

以上のように、図７に示す共振器周波数抽出部１７０は、モニタ光から共振器周波数ν_ｃを抽出して出力する。したがって、環境温度の変動によりレーザ装置１１０の共振器長が変化しても、共振器周波数抽出部１７０は、当該変化に応じた共振器周波数ν_ｃを抽出して出力できる。算出部１８０は、固定値のν_ｓと、以上のように検出されたν_Ｂ（ｍ，ｄ）及び共振器周波数ν_ｃとを用いるので、環境温度の変動に対応した距離ｄを算出できる。

このように、測定装置１００は、環境変動が生じても、当該環境変動に応じた共振器周波数ν_ｃをモニタして距離ｄの算出に反映させるので、測定精度の低減を抑制できる。これに代えて、又は、これに加えて、レーザ装置１１０を恒温槽等の温度安定化制御されたチャンバの中に入れて環境変動の影響を低減させ、測定装置１００の測定精度の低減を抑制してもよい。

しかしながら、温度安定化制御した測定装置１００は、装置の規模が大きくなってしまい、コスト、回路調整等の手間、及び設置面積等が増大してしまうという問題が生じることがあった。また、共振器長の変動に対応する共振器周波数の観測結果を距離測定に用いると、共振器周波数の測定ばらつきが距離測定ばらつきに重畳され、距離測定ばらつきが大きくなってしまうことがあった。ここで、共振器周波数の測定ばらつきをΔν_ｃとする。

この場合、共振器周波数ν_ｃを複数回観測して平均化することにより、測定ばらつきΔν_ｃを低減することができるが、複数回の観測によって測定時間が長くなり、測定装置１００のスループットが低下してしまう。そこで、本実施形態に係る測定装置は、このようなスループットの低減を抑制しつつ共振器周波数の測定ばらつきΔν_ｃを低減させて、高精度な距離測定をできるようにする。このような測定装置について、次に説明する。

［測定装置３００の構成例］
図８は、本実施形態に係る測定装置３００の構成例を計測対象物１０と共に示す。図８に示す測定装置３００において、図１に示された本実施形態に係る測定装置１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。測定装置３００は、測定装置１００の共振器周波数抽出部１７０に代えて、抽出部３１０及び特定部３２０を更に備える。

抽出部３１０及び特定部３２０は、共振器周波数抽出部１７０と同様に、レーザ装置１１０の共振器周波数ν_ｃを特定する。ここで、抽出部３１０及び特定部３２０は、測定ばらつきΔν_ｃを低減させつつ、共振器周波数ν_ｃを速やかに特定する。このような抽出部３１０及び特定部３２０のより詳細な構成を次に説明する。

［抽出部３１０及び特定部３２０の構成例］
図９は、本実施形態に係る抽出部３１０及び特定部３２０の構成例を示す。抽出部３１０は、モニタ光を変換することによって生成した電気信号からメインローブに基づく複数の自己ビート信号を含む信号成分を抽出する。抽出部３１０は、第４光電変換部３１２と、第４フィルタ部３１４と、第４ＡＤ変換器３１６とを有する。

第４光電変換部３１２は、モニタ光を電気信号に変換する。第４光電変換部３１２は、第３光電変換部１７２と同様に、フォトダイオード等でよい。レーザ装置１１０は、図３で説明したように、共振器周波数ν_ｃに略一致する周波数間隔で並ぶ複数のメインローブの縦モードを有する周波数変調レーザ光を出力する。言い換えると、第４光電変換部３１２が出力する電気信号は、レーザ光のメインローブに基づく複数の自己ビート信号を含む。

メインローブに基づく複数の自己ビート信号は、レーザ光のメインローブと同様に、共振器周波数ν_ｃに略一致する周波数間隔で並ぶ。ここで、ｎ_ｃ番目の自己ビート信号のピーク周波数をν_ｃ（ｎ_ｃ）とすると、ν_ｃ（ｎ_ｃ）＝ｎ_ｃ・ν_ｃより、次式が成立する。ここで、ｎ_ｃをメインローブに基づく自己ビート信号の次数とする。

ここで、自己ビート信号ν_ｃ（ｎ_ｃ）の測定結果には測定ばらつきΔν_ｃが含まれるので、（数７）式の理想的なν_ｃ（ｎ_ｃ）は、実際にはν_ｃ（ｎ_ｃ）＋Δν_ｃとなる。したがって、ｎ_ｃが大きい高次の自己ビート信号ν_ｃ（ｎ_ｃ）を測定して共振器周波数ν_ｃを算出すると、測定結果に含まれる測定ばらつきΔν_ｃは、１／ｎ_ｃの値程度に減少することがわかる。言い換えると、抽出部３１０及び特定部３２０が２以上の次数ｎ_ｃの自己ビート信号を１回測定するだけで、測定ばらつきΔν_ｃを１／ｎ_ｃに低減させることができる。

そこで、第４フィルタ部３１４及び第４ＡＤ変換器３１６は、複数の自己ビート信号のうち、高次の自己ビート信号を抽出してデジタル信号に変換する。第４フィルタ部３１４は、第４光電変換部３１２が変換した電気信号のうちレーザ共振器の共振器周波数ν_ｃの２倍以上の周波数を含む信号成分を通過させる。

第４フィルタ部３１４は、例えば、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、及びバンドリジェクションフィルタのうち、少なくとも１つのフィルタを有する。図９は、第４フィルタ部３１４がローパスフィルタである例を示す。例えば、第４フィルタ部３１４は、第４ＡＤ変換器３１６のクロック周波数の１／２程度の周波数を含む信号成分を通過させる。これにより、第４フィルタ部３１４は、第４ＡＤ変換器３１６が動作する範囲で最も高次の自己ビート信号を抽出できる。

第４ＡＤ変換器３１６は、入力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。第４ＡＤ変換器３１６は、例えば、共振器周波数ν_ｃの２ｎ_ｃ倍以上の周波数のクロック信号に同期して、アナログ信号をデジタル信号に変換する。

特定部３２０は、抽出部３１０が抽出した信号成分に基づき、レーザ共振器の共振器周波数ν_ｃを特定する。特定部３２０は、第４ＡＤ変換器３１６から出力されるデジタル信号を周波数データに変換する。特定部３２０は、一例として、デジタル信号をデジタルフーリエ変換（ＤＦＴ）する。そして、特定部３２０は、周波数データを解析して、自己ビート信号の周波数ｎ_ｃ・ν_ｃを特定する。

特定部３２０は、例えば、周波数データの信号強度のピーク検出をして、ピークに対応する周波数を、自己ビート信号の周波数ｎ_ｃ・ν_ｃとして特定する。なお、特定部３２０は、周波数データに複数のピークが存在する場合、予め定められた周波数近辺のピークを探索して自己ビート信号の周波数ｎ_ｃ・ν_ｃを特定してよい。ｎ_ｃの値は、第４フィルタ部３１４の通過帯域の設計時点で定められることが望ましく、この場合、測定対象の自己ビート信号の周波数近辺の値は、設計値のｎ_ｃ・ν_ｃの概算により予め定めることができる。

そして、特定部３２０は、特定した周波数ｎ_ｃ・ν_ｃをｎ_ｃで除算することで、レーザ共振器の共振器周波数ν_ｃを特定する。なお、ｎ_ｃの値は、記憶部等に予め記憶されていることが望ましい。特定部３２０は、特定した共振器周波数ν_ｃを算出部１８０に供給する。

以上のように、本実施形態に係る抽出部３１０及び特定部３２０は、モニタ光を１回測定することにより、測定ばらつきΔν_ｃを１／ｎ_ｃに低減させて測定した共振器周波数ν_ｃを出力する。なお、抽出部３１０及び特定部３２０がｋ回（ｋ≧１）の測定を行うことにより、測定ばらつきΔν_ｃを１／（ｋ・ｎ_ｃ）に低減させることもできる。

このように、抽出部３１０及び特定部３２０は、環境温度の変動によりレーザ装置１１０の共振器長が変化しても、精度の高い共振器周波数ν_ｃを速やかに測定して出力できる。そして、算出部１８０は、特定部３２０が特定したレーザ共振器の共振器周波数ν_ｃとビート信号とに基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を算出する。算出部１８０は、固定値のν_ｓと、検出されたν_Ｂ（ｍ，ｄ）、及び高精度に測定された共振器周波数ν_ｃとを用いるので、環境温度の変動に対応した距離ｄを算出できる。

以上のように、本実施形態に係る測定装置３００は、複数のメインローブに基づく複数の自己ビート信号のうち、高次の自己ビート信号を用いることで、スループットの低減を抑制しつつ、高精度な距離測定をできるが、これに限定されることはない。測定装置３００は、例えば、レーザ装置１１０がサイドローブを出力する場合、サイドローブに基づく自己ビート信号を用いてもよい。このような測定装置３００について、次に説明する。

図２において、レーザ装置１１０は、共振器内に周波数シフタ１１２を有することを説明した。周波数シフタ１１２としては、上述のＡＯＦＳが知られている。ＡＯＦＳを用いたレーザ装置１１０は、図３で説明した様に、複数のメインローブを出力する。このようなＡＯＦＳに代えて、周波数シフタ１１２として、光ＳＳＢ変調器を用いてもよい。

［光ＳＳＢ変調器３０の構成例］
図１０は、本実施形態に係る光ＳＳＢ変調器３０と制御部５０の構成例を示す。光ＳＳＢ変調器３０は、基板３１、メインマッハツェンダ導波路３２、第１サブマッハツェンダ導波路３３、第２サブマッハツェンダ導波路３４、メインＤＣ電極３５、第１サブＤＣ電極３６、第２サブＤＣ電極３７、第１ＲＦ電極３８、及び第２ＲＦ電極３９を備える。

基板３１は、少なくとも一部が電気光学結晶で形成されている基板であり、例えば、ＬｉＮｂＯ_３結晶を有する。このような基板３１の表面に、導波路及び基板が形成されている。メインマッハツェンダ導波路３２は、光ＳＳＢ変調器３０に入力した光を２つに分岐させ、分岐させた光を再び合波させてから出力する。メインマッハツェンダ導波路３２は、２つに分岐させた光をそれぞれ通過させる第１アーム導波路４１及び第２アーム導波路４２を有する。

第１アーム導波路４１には、第１サブマッハツェンダ導波路３３が設けられている。第１サブマッハツェンダ導波路３３は、第１アーム導波路４１が通過させた光を２つに分岐させ、分岐させた光を再び合波させてから第１アーム導波路４１へと出力する。第１サブマッハツェンダ導波路３３は、入力した光をそれぞれ通過させる第１サブアーム導波路４３及び第２サブアーム導波路４４を有する。

第２アーム導波路４２には、第２サブマッハツェンダ導波路３４が設けられている。第２サブマッハツェンダ導波路３４は、第２アーム導波路４２が通過させた光を２つに分岐させ、分岐させた光を再び合波させてから第２アーム導波路４２へと出力する。第２サブマッハツェンダ導波路３４は、入力した光をそれぞれ通過させる第３サブアーム導波路４５及び第４サブアーム導波路４６を有する。

メインＤＣ電極３５は、一例として、メインマッハツェンダ導波路３２の第１アーム導波路４１及び第２アーム導波路４２のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。メインＤＣ電極３５は、制御部５０から直流電圧が供給される。

第１サブＤＣ電極３６及び第１ＲＦ電極３８は、一例として、第１サブマッハツェンダ導波路３３の第１サブアーム導波路４３及び第２サブアーム導波路４４のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。第１サブＤＣ電極３６及び第１ＲＦ電極３８は、別個の電極であってもよく、共通の１つの電極であってもよい。

同様に、第２サブＤＣ電極３７及び第２ＲＦ電極３９は、一例として、第２サブマッハツェンダ導波路３４の第３サブアーム導波路４５及び第４サブアーム導波路４６のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。第２サブＤＣ電極３７及び第２ＲＦ電極３９は、別個の電極であってもよく、共通の１つの電極であってもよい。

第１サブＤＣ電極３６及び第２サブＤＣ電極３７には、制御部５０から直流電圧がそれぞれ供給される。第１ＲＦ電極３８及び第２ＲＦ電極３９には、制御部５０からＲＦ信号がそれぞれ供給される。ＲＦ信号は、例えば、数ＧＨｚから数十ＧＨｚの高周波信号である。

このように、入力する光を通過させる導波路の近傍に設けられている電極に電圧を加えることにより、導波路の屈折率を変化させる電気光学効果（ポッケルス効果）が発生する。電気光学効果が発生している導波路を通過する光の振幅強度レベル及び位相には、加えた電圧に対応する変調、オフセット等が生じることになる。このような電気光学効果による屈折率の変化は、電場の印加方向に対応するので、例えば、電極に印加する電圧の正負を変更するだけで、位相の変化方向を切り換えることができる。

制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０の複数の電極に直流電圧及びＲＦ信号を供給して、導波路を通過する光の位相を調節する。制御部５０は、直流電圧生成部５２と、ＲＦ信号生成部５４とを有する。直流電圧生成部５２は、直流電圧を生成してメインＤＣ電極３５、第１サブＤＣ電極３６、及び第２サブＤＣ電極３７に供給する。ＲＦ信号生成部５４は、ＲＦ信号を生成して第１ＲＦ電極３８及び第２ＲＦ電極３９に供給する。

制御部５０は、直流電圧生成部５２及びＲＦ信号生成部５４を制御して、光ＳＳＢ変調器３０に直流電圧及びＲＦ信号を供給し、周波数シフト方向及び周波数シフト量を調節する。例えば、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０に入力する光の周波数をＲＦ信号の周波数だけシフトさせる。制御部５０は、ＲＦ信号の周波数を変更して光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を更に設定してもよい。

また、制御部５０は、メインマッハツェンダ導波路３２、第１サブマッハツェンダ導波路３３、及び第２サブマッハツェンダ導波路３４に対応して基板３１に設けられているメインＤＣ電極３５、第１サブＤＣ電極３６、及び第２サブＤＣ電極３７に、予め定められた値の直流電圧を供給して周波数シフト方向を切り換える。このような光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト及びシフト方向の切換等については、既知の特許文献２及び特許文献３等に記載されているので、ここでは詳細な説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ装置１１０は、以上の光ＳＳＢ変調器３０を周波数シフタ１１２として用いてもよい。そして、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０に供給するＲＦ信号の周波数を設定することで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を設定可能とする。また、制御部５０は、光ＳＳＢ変調器３０に供給する電圧を切り換えることで、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト方向を正側又は負側のいずれか一方に切り換え可能としてもよい。

［光ＳＳＢ変調器３０が出力する光スペクトルの一例］
図１１は、本実施形態に係る光ＳＳＢ変調器３０が出力する光スペクトルの一例を示す。図１１は、横軸が光の周波数、縦軸が光強度を示す。図１１は、光ＳＳＢ変調器３０に周波数ν_０の光が入力し、当該光ＳＳＢ変調器３０が入力した光の周波数をν_ｓだけシフトさせて周波数ν_０＋ν_ｓの光を出力した例を示す。ここで、周波数ν_０＋ν_ｓの出力光をメインローブと呼ぶ。

光ＳＳＢ変調器３０は、メインローブに加えて、メインローブの周波数からν_ｓずつ離れた周波数の位置に複数のサイドローブを発生させる。言い換えると、メインローブの周波数ν_０＋ν_ｓからシフト周波数ν_ｓごとに並ぶ出力光をサイドローブと呼ぶ。図１１は、メインローブの負側に発生したν_０－３ν_ｓからν_０までの周波数のサイドローブと、メインローブの正側に発生したν_０＋２ν_ｓ及びν_０＋３ν_ｓの周波数のサイドローブとを示す。以上のように、サイドローブを発生させる周波数シフタ１１２を共振器内に有するレーザ装置１１０について、次に述べる。

［レーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例］
図１２は、図１０に示す光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例を示す。図１２は、横軸が時間、縦軸が光の周波数を示す。図１２は、レーザ装置１１０が出力するメインローブ及びサイドローブの周波数の時間的な変化を示す。メインローブの周波数の時間的な変化は、図３で説明したメインローブの変化と同様である。したがって、このようなレーザ装置１１０を用いても、光ヘッド部１４０及び計測対象物１０の間の距離ｄは、（数６）式を用いて算出することができる。

サイドローブは、メインローブと同様に、共振器を１周する毎に周波数シフタ１１２によって周波数がν_ｓだけ変化する。したがって、サイドローブの周波数の時間的な変化も、メインローブの変化と同様である。光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０を用いた場合、図１２に示すような光スペクトルのモニタ光が抽出部３１０に入力する。そして、第４光電変換部３１２は、モニタ光を電気信号に変換する。第４光電変換部３１２が出力する電気信号は、レーザ光のメインローブ及びサイドローブに基づく複数の自己ビート信号が発生する。

［自己ビートスペクトルの第１例］
図１３は、図１０に示す光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０が出力するレーザ光の自己ビートスペクトルの第１例を示す。言い換えると、図１３は、第４光電変換部３１２が出力する電気信号の一例を示す。図１３は、横軸が周波数、縦軸が光強度を示す。メインローブに基づく複数の自己ビート信号は、共振器周波数ν_ｃに略一致する周波数間隔で並ぶ。また、サイドローブは、メインローブを中心としてシフト周波数ν_ｓに略一致する周波数間隔で並ぶ。

このような自己ビート信号のピーク周波数をν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）とすると、ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）は、次式で示される。ここで、ｎ_ｃはメインローブに基づく自己ビート信号の次数を示し、ｎ_ｓはサイドローブに基づく自己ビート信号の次数であり、周波数シフタのシフト次数を示す。

（数８）式において、ｎ_ｃは絶対値が１以上の整数であり、ｎ_ｓは整数である。なお、ｎ_ｓ＝０の場合、ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）は、メインローブに基づく自己ビート信号のピーク周波数を示す。例えば、ν_ｃｓ（０，２）は、２ν_ｃであり、ν_ｃｓ（－２，４）は、４ν_ｃ－２ν_ｓである。（数８）式より、共振器周波数ν_ｃは、次式のように算出される。

（数９）式の右辺第２項は定数なので、（数７）式の説明と同様に、ｎ_ｃが大きい高次の自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）を測定して共振器周波数ν_ｃを算出すると、測定結果に含まれる測定ばらつきは、１／ｎ_ｃの値程度に減少することがわかる。なお、測定する自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）がメインローブ（ｎ_ｓ＝０）、サイドローブ（ｎ_ｓ≠０）のどちらであっても、測定ばらつきを減少させることができる。ここで、サイドローブを用いた共振器周波数ν_ｃの測定であっても、測定装置３００のスループットの低減を抑制する条件は、メインローブに基づく自己ビート信号の次数ｎ_ｃの絶対値を２以上にすることであることがわかる。

言い換えると、サイドローブを発生させる光ＳＳＢ変調器３０を周波数シフタ１１２としてレーザ共振器内に有し、メインローブ及びサイドローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置１１０を用いても、図８に示す測定装置３００は、スループットの低減を抑制しつつ、高精度な距離測定をできる。測定装置３００がメインローブに基づく自己ビート信号を用いる場合、上述と同様に抽出部３１０及び特定部３２０が動作すればよい。

一方、測定装置３００がサイドローブに基づく自己ビート信号を用いる場合、抽出部３１０は、モニタ光を変換することによって生成した電気信号からサイドローブに基づく自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）を含む信号成分を抽出する（ｎ_ｓ≠０）。そして、特定部３２０は、抽出部３１０が抽出した信号成分に含まれているピーク周波数ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）から、（数９）式を用いてレーザ共振器の共振器周波数ν_ｃを特定する。

ｎ_ｃ及びｎ_ｓは、予め設計できるパラメータである。したがって、特定部３２０は、上述のように、抽出部３１０が抽出した信号成分に基づき、レーザ共振器の共振器周波数ν_ｃを特定できる。これにより、算出部１８０は、レーザ共振器の共振器周波数ν_ｃとビート信号とに基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を精度よく算出できる。

以上の本実施形態に係る測定装置３００において、抽出部３１０及び特定部３２０がモニタ光の自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）の周波数を測定し、測定結果からレーザ共振器の共振器周波数ν_ｃを特定する例を説明した。そして、抽出部３１０及び特定部３２０が測定する自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）の例を図１３に示したが、これに限定されることはない。

図１３に示す自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）の例は、ν_ｓ＜ν_ｃの場合の例を示す。一般的には、光ＳＳＢ変調器３０のシフト周波数ν_ｓは、数ＧＨｚ～数十ＧＨｚ程度であり、また、レーザ装置１１０の共振器周波数ν_ｃは数十ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度である。測定装置３００は、このように、ν_ｓ＞ν_ｃとなる場合の自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）を用いてもよい。

［自己ビートスペクトルの第２例及び第３例］
図１４は、図１０に示す光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０が出力するレーザ光の自己ビートスペクトルの第２例を示す。第２例の自己ビートスペクトルは、ν_ｃ＜ν_ｓ＜２ν_ｃの場合の周波数スペクトルを示す。また、図１５は、図１０に示す光ＳＳＢ変調器３０を有するレーザ装置１１０が出力するレーザ光の自己ビートスペクトルの第３例を示す。第３例の自己ビートスペクトルは、ν_ｓが１００ν_ｃ程度の場合の周波数スペクトルを示す。

図１４及び図１５より、ν_ｓ＞ν_ｃとなる場合の複数の自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）のうち、｜ｎ_ｃ｜≧２で、かつ、共振器周波数ν_ｃよりも周波数が小さくなっている自己ビート信号が発生していることがわかる。例えば、図１４においてはサイドモードに基づく自己ビート信号ν_ｃｓ（－２，４）、図１５においてはサイドモードに基づく自己ビート信号ν_ｃｓ（－１，１００）の周波数が共振器周波数ν_ｃよりも小さい。

自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）を測定する際に、より低い周波数で処理できる場合、抽出部３１０及び特定部３２０の電気回路等の設計、製造等が容易になる。したがって、抽出部３１０及び特定部３２０は、０＜ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）＜ν_ｃとなる自己ビート信号を測定することが望ましい。この場合、抽出部３１０の第４フィルタ部３１４は、第４光電変換部３１２が変換した電気信号のうちレーザ共振器の共振器周波数ν_ｃ未満の信号成分を通過させるフィルタである。

なお、０＜ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）＜ν_ｃの不等式を（数８）式に代入することにより、次式を得る。

（数１０）式より、ｎ_ｃは次式のように表される。ここで、ｃｅｉｌ（）は、正方向の丸め（切り上げ）を表す関数である。

［ｎ_ｓの条件］
このようなｎ_ｃの絶対値が２以上となるｎ_ｓの条件を、ν_ｓの範囲ごとにまとめた結果を図１６に示す。例えば、ν_ｓ＝１ＧＨｚ、ν_ｃ＝９０ＭＨｚ、ｎ_ｓ＝１、ｎ_ｃ＝－１１の場合、自己ビート信号ν_ｃｓ（１，－１１）の周波数は１０ＭＨｚとなる。抽出部３１０及び特定部３２０は、１０ＭＨｚ程度の電気信号を測定することにより、従来よりも測定ばらつきを１／１１程度に低減でき、言い換えると、略１１倍の感度で共振器周波数ν_ｃを測定することができる。

なお、抽出部３１０及び特定部３２０が測定対象とする自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）は、他の自己ビート信号とは周波数が離れていることが望ましい。例えば、測定対象とする自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）が他の自己ビート信号と分離できない程度に周波数が重なってしまうと、特定部３２０による特定結果に誤差が生じてしまう。したがって、例えば、光ＳＳＢ変調器３０の設計時に、適切なシフト周波数ν_ｓを設定することが望ましい。

また、測定装置３００は、光ＳＳＢ変調器３０のシフト周波数ν_ｓを適切に調節可能であることが望ましい。例えば、特定部３２０は、制御部５０にＲＦ信号の周波数を変更するための制御信号を送信して、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を変更可能に構成されていてもよい。

この場合、例えば、特定部３２０は、抽出部３１０が抽出した信号成分を周波数データに変換し、変換した周波数データのピーク検出結果と、光ＳＳＢ変調器３０の周波数シフト量を変更した後のピーク検出結果とを比較する。特定部３２０は、周波数シフト量の変更と変更した後のピーク検出結果の動作を複数回繰り返してもよい。これにより、特定部３２０は、測定対象とする自己ビート信号ν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）が、他の自己ビート信号と閾値以上に周波数が離れていることを特定することができる。

以上の本実施形態に係る測定装置１００及び測定装置３００の制御部５０、変換部１６０、共振器周波数出力部１７８、算出部１８０、及び特定部３２０の少なくとも一部は、例えば、集積回路等で構成されている。例えば、制御部５０、変換部１６０、共振器周波数出力部１７８、算出部１８０、及び特定部３２０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、及び／又はＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。

制御部５０、変換部１６０、共振器周波数出力部１７８、算出部１８０、及び特定部３２０の少なくとも一部をコンピュータ等で構成する場合、測定装置１００及び測定装置３００は、記憶部を含む。記憶部は、一例として、制御部５０、変換部１６０、共振器周波数出力部１７８、算出部１８０、及び特定部３２０を実現するコンピュータ等のＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、及び作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。また、記憶部は、ＯＳ（Operating System）、アプリケーションプログラム、及び／又は当該アプリケーションプログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してよい。即ち、記憶部は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）及び／又はＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置を含んでよい。

コンピュータ等は、ＣＰＵ等のプロセッサを含み、記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって制御部５０、変換部１６０、共振器周波数出力部１７８、算出部１８０、及び特定部３２０の少なくとも一部として機能する。コンピュータ等は、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を含んでもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１０ 計測対象物
３０ 光ＳＳＢ変調器
３１ 基板
３２ メインマッハツェンダ導波路
３３ 第１サブマッハツェンダ導波路
３４ 第２サブマッハツェンダ導波路
３５ メインＤＣ電極
３６ 第１サブＤＣ電極
３７ 第２サブＤＣ電極
３８ 第１ＲＦ電極
３９ 第２ＲＦ電極
４１ 第１アーム導波路
４２ 第２アーム導波路
４３ 第１サブアーム導波路
４４ 第２サブアーム導波路
４５ 第３サブアーム導波路
４６ 第４サブアーム導波路
５０ 制御部
５２ 直流電圧生成部
５４ ＲＦ信号生成部
１００ 測定装置
１１０ レーザ装置
１１２ 周波数シフタ
１１４ 増幅媒体
１１６ ＷＤＭカプラ
１１７ ポンプ光源
１１８ 出力カプラ
１２０ 分岐部
１３０ 光サーキュレータ
１４０ 光ヘッド部
１５０ ビート信号発生部
１５２ 光９０度ハイブリッド
１５４ 第１光電変換部
１５６ 第２光電変換部
１６０ 変換部
１６２ 第１フィルタ部
１６４ 第２フィルタ部
１７０ 共振器周波数抽出部
１７２ 第３光電変換部
１７４ 第３フィルタ部
１７６ 第３ＡＤ変換器
１７８ 共振器周波数出力部
１８０ 算出部
１９０ 表示部
３００ 測定装置
３１０ 抽出部
３１２ 第４光電変換部
３１４ 第４フィルタ部
３１６ 第４ＡＤ変換器
３２０ 特定部

Claims (9)

1. 周波数シフタをレーザ共振器内に有し、メインローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、
   前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させる分岐部と、
   前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
   前記モニタ光を変換することによって生成した電気信号から前記メインローブに基づく複数の自己ビート信号を含む信号成分を抽出する抽出部と、
   前記抽出部が抽出した信号成分に基づき、前記レーザ共振器の共振器周波数を特定する特定部と、
   前記特定部が特定した前記レーザ共振器の共振器周波数と前記ビート信号とに基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する算出部と
   を備える、測定装置。
2. 前記抽出部は、
   前記モニタ光を前記電気信号に変換する光電変換部と、
   前記電気信号のうち前記レーザ共振器の共振器周波数の２倍以上の周波数を含む信号成分を通過させるフィルタ部と
   を有する、請求項１に記載の測定装置。
3. サイドローブを発生させる光ＳＳＢ変調器である周波数シフタをレーザ共振器内に有し、メインローブ及び前記サイドローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、
   前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させる分岐部と、
   前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
   前記モニタ光を変換することによって生成した電気信号から前記サイドローブに基づく自己ビート信号を含む信号成分を抽出する抽出部と、
   前記抽出部が抽出した信号成分に基づき、前記レーザ共振器の共振器周波数を特定する特定部と、
   前記特定部が特定した前記レーザ共振器の共振器周波数と前記ビート信号とに基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する算出部と
   を備える、測定装置。
4. 前記抽出部は、
   前記モニタ光を前記電気信号に変換する光電変換部と、
   前記電気信号のうち前記レーザ共振器の共振器周波数未満の信号成分を通過させるフィルタ部と
   を有する、請求項３に記載の測定装置。
5. 前記特定部は、前記レーザ共振器の共振器周波数をν_ｃ、前記周波数シフタのシフト周波数をν_ｓ、前記メインローブに基づく自己ビート信号の次数をｎ_ｃ、前記周波数シフタのシフト次数をｎ_ｓ、前記抽出部が抽出した信号成分に含まれているピーク周波数をν_ｃｓ（ｎ_ｓ，ｎ_ｃ）とすると、次式を用いて前記レーザ共振器の共振器周波数ν_ｃを特定する、
   

   

   請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記メインローブに基づく自己ビート信号の次数ｎ_ｃの絶対値は、２以上である、請求項５に記載の測定装置。
7. 前記算出部は、前記ビート信号を周波数解析することにより得られた前記ビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ、ｄ）を用いて、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差ｄを次式により算出し、
   

   

   ここで、ｃは光速、ｍは前記周波数変調レーザ光の縦モード番号の間隔である、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置。
8. 周波数シフタをレーザ共振器内に有するレーザ装置から、メインローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
   前記周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させるステップと、
   前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるステップと、
   前記モニタ光を電気信号に変換するステップと、
   前記電気信号から前記メインローブに基づく複数の自己ビート信号を含む信号成分を抽出するステップと、
   抽出した信号成分に基づき、前記レーザ共振器の共振器周波数を特定するステップと、
   特定した前記レーザ共振器の共振器周波数と前記ビート信号とに基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出するステップと
   を備える、測定方法。
9. サイドローブを発生させる光ＳＳＢ変調器である周波数シフタをレーザ共振器内に有するレーザ装置から、メインローブ及び前記サイドローブの複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
   前記周波数変調レーザ光を参照光、測定光、及びモニタ光として分岐させるステップと、
   前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるステップと、
   前記モニタ光を電気信号に変換するステップと、
   前記電気信号から前記サイドローブに基づく自己ビート信号を含む信号成分を抽出するステップと、
   抽出した信号成分に基づき、前記レーザ共振器の共振器周波数を特定するステップと、
   特定した前記レーザ共振器の共振器周波数と前記ビート信号とに基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出するステップと
   を備える、測定方法。
   

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