JP2023131450A - レーザ距離測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象までの絶対的な距離を高精度で測定することができるレーザ距離測定装置及び方法を提供する。【解決手段】 測定対象からの反射信号光と参照光との干渉光を示す干渉信号に基づいて干渉光に含まれる位相情報から測定対象までの距離を測定するレーザ距離測定装置である。このレーザ距離測定装置は、第１、第２周波数の２モードのレーザ光を発振するレーザ発振器１０と、２モードのレーザ光を、２モードのレーザ光と、第１周波数のレーザ光と、第２周波数のレーザ光とに分光する回折格子２０と、第１周波数のレーザ光を周波数変調させる移動回折格子３０と、周波数変調された第１周波数のレーザ光と第２周波数のレーザ光とを合成するビームスプリッタ５０とを備え、２モードのレーザ光を信号光として使用し、ビームスプリッタ５０により合成されたレーザ光を参照光として使用する。【選択図】 図７

Description

本発明はレーザ距離測定装置及び方法に係り、特に測定対象までの絶対的な距離を高精度で測定する技術に関する。

従来、信号光を測定対象の反射面に入射させ、反射面で反射した信号光の反射信号光と、信号光に対して周波数が異なる参照光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、この干渉光を示す干渉信号を光検出器により検出し、干渉信号に含まれる位相情報から測定対象までの距離を測定するレーザ距離測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。

測定対象までの距離（光路）に応じて、信号光の往復時間が変化する。即ち、参照光と反射信号光と間の位相が変化する。そこで、参照光と反射信号光との位相差を検出することで、測定対象までの距離を求めている。レーザ光は周期的な波であるため、位相差から求められる距離は１波長以内であり、波長が数百ｎｍのレーザを用いた場合は測定レンジが狭くなることに繋がる。そのため測距においては、より波長の長い（振動数の低い）変調をレーザに与えて、その変調させた信号光と参照光との位相差を求めている（特許文献１）。

レーザ光への変調は、ゼーマンレーザを用いる方法が知られている。ゼーマンレーザは、レーザ発振器自体に磁場を与えることで、発振モードが２モードに分かれる現象を利用し、２モードの周波数を重ね合わせてビートを生成することで、モードの周波数差（１０ＭＨｚ程度）の変調信号を得る。

また、他のレーザ光への変調は、レーザダイオード（ＬＤ:Laser Diode)などに音響光学変調器(ＡＯＭ:Acousto Optics Modulator)を用いて変調を与える方式がある。ＡＯＭによる周波数変調は、１００ＭＨｚ程度である。尚、特許文献１に記載の測距センサは、半導体レーザのレーザ光の変調をＡＯＭを用いて行っている。

特開平０６－２２１８０８号公報

しかしながら、ゼーマンレーザによるレーザ光の変調周波数は、１０ＭＨｚ程度であり、ＡＯＭによる周波数変調は、１００ＭＨｚ程度であり、一般的な位相分解能を０．１°と考えると、距離分解能は、ゼーマンレーザによる周波数変調で０．４ｍｍ、ＡＯＭ変調で４０μｍ程度となり、精密な測定には分解能が足りていないという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、測定対象までの絶対的な距離を高精度で測定することができるレーザ距離測定装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、相対的に周波数変調された信号光と参照光とを使用し、信号光を測定対象の反射面に入射させ、反射面で反射した信号光の反射信号光と参照光とを干渉させ、干渉した干渉光を示す干渉信号を光検出器により検出し、干渉信号に含まれる位相情報から測定対象までの距離を測定するレーザ距離測定装置において、印可される電流により第１周波数及び第２周波数の２モードのレーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から入射する２モードのレーザ光を、第１方向の２モードのレーザ光と、第２方向の第１周波数のレーザ光と、第３方向の第２周波数のレーザ光との３方向のレーザ光に分光する分光器と、分光器により分光された第１周波数のレーザ光を周波数変調させる周波数シフタと、周波数シフタにより周波数変調された第１周波数のレーザ光と分光器により分光された第２周波数のレーザ光とを合成する合成器と、を備え、信号光は、分光器により分光された２モードのレーザ光、及び合成器により合成されたレーザ光のうちの一方のレーザ光であり、参照光は、分光器により分光された２モードのレーザ光、及び合成器により合成されたレーザ光のうちの他方のレーザ光である。

第２の態様に係るレーザ距離測定装置は、第１の態様において、レーザ発振器は、印可する電流により２モードのレーザ光を発振するレーザダイオード又は固体レーザである。

第３の態様に係るレーザ距離測定装置は、第１又は第２の態様において、分光器は、回折格子を含む。

第４の態様に係るレーザ距離測定装置は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、周波数シフタは、第１周波数のレーザ光が入射する移動回折格子、又は音響光学変調器である。

第５の態様に係るレーザ距離測定装置は、第１から第４の態様のいずれかにおいて、合成器は、ビームスプリッタである。

本発明の第６の態様は、相対的に周波数変調された信号光と参照光とを使用し、信号光を測定対象の反射面に入射させ、反射面で反射した信号光の反射信号光と参照光とを干渉させ、干渉した干渉光を示す干渉信号を光検出器により検出し、干渉信号に含まれる位相情報から測定対象までの距離を測定するレーザ距離測定方法において、レーザ発振器に印加する電流を調整し、レーザ発振器から第１周波数及び第２周波数の２モードのレーザ光を発振させるステップと、分光器が、レーザ発振器から入射する２モードのレーザ光を、第１方向の２モードのレーザ光と、第２方向の第１周波数のレーザ光と、第３方向の第２周波数のレーザ光との３方向のレーザ光に分光するステップと、周波数シフタが、分光器により分光された第１周波数のレーザ光を周波数変調させるステップと、合成器が、周波数シフタにより周波数変調された第１周波数のレーザ光と分光器により分光された第２周波数のレーザ光とを合成するステップと、を含み、信号光として、分光器により分光された２モードのレーザ光、及び合成器により合成されたレーザ光のうちの一方のレーザ光を使用し、参照光として、分光器により分光された２モードのレーザ光、及び合成器により合成されたレーザ光のうちの他方のレーザ光を使用する。

本発明によれば、レーザ発振器から発振される第１周波数及び第２周波数の２モードのレーザ光の周波数差を、ゼーマンレーザによる変調周波数やＡＯＭによる変調周波数よりも大きくすることができ、測定対象までの絶対的な距離を高精度で測定することができる。

図１は、距離測定に使用する２つのレーザ光の模式図である。 図２は、２モードで発振するレーザ光のスペクトルを示すイメージ図である。 図３は、回折格子による回折条件を説明するために用いた図である。 図４は、２モードのレーザ光を分離する構成を示す図である。 図５は、回折した２モード及び多モードのレーザ光の観察結果を示す図である。 図６は、本発明に係るレーザ距離測定装置に使用される信号光と参照光を生成する構成を示す図である。 図７は、本発明に係るレーザ距離測定装置の第１実施形態を示す図である。 図８は、本発明に係るレーザ距離測定装置の第２実施形態を示す図である。 図９は、本発明に係るレーザ距離測定方法の実施形態を示すフローチャートである。

以下、添付図面に従って本発明に係るレーザ距離測定装置及び方法の実施の形態について説明する。

［発明の概要］
図１は、距離測定に使用する２つのレーザ光の模式図である。

２つのレーザ光は、基準となる参照光と、測定対象の反射面に入射し、反射面で反射した信号光の反射信号光である。図１において、参照光は実線で表され、反射信号光は破線で表されている。

反射信号光は、測定対象までの往復時間分遅延するため、参照光と反射信号光との間には位相差が発生する。位相差をΔφ、レーザ光の変調周波数をｆ、測定環境での光速をｃ’とすると、距離Ｌは、次式で表される。

［数１］
Ｌ＝ｃ’/２ｆ(Ｎ＋Δφ/２π)
Ｎ＝整数
上記［数１］式からも明らかなように距離Ｌの測距分解能は、位相差Δφの分解能とその変調周波数ｆにより決定される。

従来のゼーマンレーザを使用する変調方法は、２モードの周波数差（変調周波数）が１０ＭＨｚ程度であり、ＡＯＭによる変調周波数は１００ＭＨｚ程度であり、いずれも変調周波数ｆが低く、測距分解能が精密な測定には不足する。

本発明は、高分解能な距離測定が可能なレーザ光を発振するレーザ発振器を提供することを目的の一つとする。

レーザダイオード（ＬＤ）や固体レーザ（例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Yttrium Aluminum Garnet）を用いた固体レーザであるＹＡＧレーザ）では、印加する電流を変化させると、複数のモード発振が得られる。この種のレーザ発振器は、印可する電流を増加させると、生成される縦モードが、多モード→３モード→２モード→単モードと変化する特性がある。各モード間の振動数差（周波数差）は、例えば、１００～１５０ＧＨｚ程度である。

図２は、２モードで発振するレーザ光のスペクトルを示すイメージ図である。

図２の破線で示すグラフはレーザ媒質の利得曲線であり、グラフの横軸は振動数（周波数）であり、縦軸は光強度に相当する利得である。

図２に示す２モードで発振するレーザ光は、第１周波数ｆ１の縦モードと第２周波数ｆ２の縦モードとの２本の縦モードで発振し、２モード間の周波数差（ｆ１－ｆ２）は、１００～１５０ＧＨｚである。尚、本例では、便宜上、２本の縦モードのうちの周波数が高い方を第１周波数ｆ１、低い方を第２周波数ｆ２としたが、逆であってもよく、この場合も２モード間の周波数差｜ｆ１－ｆ２｜は、１００～１５０ＧＨｚである。

本発明は、この２モードのレーザ光を、分光器として機能する回折格子を利用した機構を用いることで、各モードを分離して使用する。

図３は、回折格子による回折条件を説明するために用いた図である。

図３に示す回折格子２は、反射型の回折格子であり、例えば、表面に平行な溝が周期的に刻まれた光学素子に金属コーティングを施して作成することができる。

図３において、ｄは、回折格子２の周期（隣り合う溝の間隔）である。

この回折格子２により回折光が回折する方向は、入射光の波長と回折格子２の周期により決まる。

いま、回折格子２の周期をｄ、入射光の波長をλ、入射角及び回折角をそれぞれθ、Φとすると、次式が成立する。

［数２］
λ＝(sinθ＋sinΦ)×ｄ/ｍ
ｍ＝次数
２モードのレーザ光を回折格子２に入射させると、正反射方向に２モードの混在した光が進行する。

また、２モードの周波数差を有する２つの周波数の光は、周波数（波長）が異なるため、異なる回折角で回折する。

図４は、２モードのレーザ光を分離する構成を示す図である。

図４において、レーザ発振器１０は、図２に示したように第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差が、１００～１５０ＧＨｚである２モードのレーザ光を発振する。

回折格子２０は、レーザ発振器１０から発振された２モードのレーザ光を入射光とし、正反射方向（第１方向）に２モードの混在した０次成分のレーザ光を反射させ（図示せず）、第２方向に第１周波数ｆ１のレーザ光を回折光として分離し、第３方向に第１周波数ｆ１のレーザ光を回折光として分離する。

回折格子２０により分離された第２方向に第１周波数ｆ１の回折光は、ミラー２２により反射され、再び回折格子２０に入射し、回折格子２０で反射（正反射）して観察面２３に進む。同様に、回折格子２０により分離された第３方向に第２周波数ｆ２の回折光は、ミラー２２により反射され、再び回折格子２０に入射し、回折格子２０で反射して観察面２３に進む。

したがって、第１周波数ｆ１のレーザ光と第２周波数ｆ２のレーザ光とは、観察面２３の異なる位置に入射する。

図５は、回折した２モード及び多モードのレーザ光の観察結果を示す図である。

図５（Ａ）は、２モードのレーザ光の観察結果を示す図であり、図４に示した観察面２３を撮影して得た写真である。図５（Ａ）に示した写真の２箇所の高輝度部分は、回折により分離された第１周波数ｆ１のレーザ光と第２周波数ｆ２のレーザ光とが入射した部分である。

一方、図５（Ｂ）は、多モードのレーザ光の観察結果を示す図であり、図４に示した観察面２３を撮影して得た写真である。図５（Ｂ）に示した写真の５箇所の高輝度部分は、回折により分離された、それぞれ周波数が異なるレーザ光が入射した部分である。

尚、図５（Ａ）は、レーザ発振器としてＹＡＧレーザを使用し、ＹＡＧレーザを２モードで発振させたときに得られた観察結果であり、図５（Ｂ）は、レーザ発振器として赤色レーザダイオードを使用し、赤色レーザダイオードを多モードで発振させたときに得られた観察結果である。

図６は、本発明に係るレーザ距離測定装置に使用される信号光と参照光を生成する構成を示す図である。尚、図６において、図４に示した２モードのレーザ光を分離する構成と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６において、レーザ発振器１０から発振される、第１周波数ｆ１のレーザ光と第２周波数ｆ２のレーザ光とが混在した２モードのレーザ光は、回折格子２０に入射され、ここで、第１方向の２モードのレーザ光と、第２方向の第１周波数ｆ１のレーザ光と、第３方向の第２周波数ｆ２のレーザ光との３方向のレーザ光に分光（分離）される。

図６上で、回折格子２０上で第１方向に正反射する０次成分の２モードのレーザ光は、実線で示され、第２方向に回折する第１周波数ｆ１のレーザ光は、点線で示され、第３方向に回折する第２周波数ｆ２のレーザ光は、一点鎖線で示されている。

回折格子２０により正反射される０次成分の２モードのレーザ光は、ミラー２２に入射し、ここで反射してビームスプリッタ６０に入射する。ビームスプリッタ６０に入射する２モードのレーザ光は、第１周波数ｆ１のレーザ光と第２周波数ｆ２のレーザ光とが混合したレーザ光であり、本例では、測定対象７０に向かって進む信号光ＥＳとして使用される。また、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）は、例えば１５０ＧＨｚであり、信号光ＥＳは、１５０ＧＨｚのビート周波数を有する。

回折格子２０により分離された一方の第１周波数ｆ１のレーザ光は、ミラー２２により反射され、再び回折格子２０に入射し、回折格子２０で反射して移動回折格子３０に入射する。

移動回折格子３０は、第１周波数ｆ１のレーザ光を周波数変調させる周波数シフタの一種であり、移動回折格子３０を移動（回転）させることで、第１周波数ｆ１のレーザ光に変調周波数δの変調を与える。

変調周波数δは、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）である１５０ＧＨｚに対して十分に低い周波数であり、例えば、扱いやすい５ｋＨｚとすることができる。

尚、第１周波数ｆ１のレーザ光に変調周波数δの変調を与える手段は、本例の移動回折格子３０に限らず、例えば、音響光学変調器(ＡＯＭ)等の他の周波数シフタを使用してもよい。また、第１周波数ｆ１のレーザ光を周波数変調する代わりに、第２周波数ｆ２のレーザ光を周波数変調するようにしてよい。

移動回折格子３０により周波数変調された周波数（ｆ１＋δ）のレーザ光は、ミラー４０により反射され、合成器として機能するビームスプリッタ５０に入射する。

ビームスプリッタ５０には、回折格子２０により分離された他方の第２周波数ｆ２のレーザ光がミラー２４を介して入射しており、ビームスプリッタ５０は、周波数変調された周波数（ｆ１＋δ）のレーザ光と、回折格子２０により分離された他方の第２周波数ｆ２のレーザ光とを合成する。

ビームスプリッタ５０により合成されたレーザ光は、ビームスプリッタ６０に入射する。合成されたレーザ光は、本例では、参照光ＥＲとして使用される。この参照光ＥＲは、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）に変調周波数δが加算されたビート周波数（（ｆ１－ｆ２）＋δ）を有することになる。

［レーザ距離測定装置の第１実施形態］
図７は、本発明に係るレーザ距離測定装置の第１実施形態を示す図である。

尚、図７において、図６に示した信号光ＥＳと参照光ＥＲを生成する部分と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図７において、発信器６２は、周波数がδ（本例では、５ｋＨｚ）の正弦波信号Ｓδを駆動部３２及び位相検出器９０に出力する。

駆動部３２は、正弦波信号Ｓδの周波数δに同期して移動回折格子３０を回転駆動し、回転駆動する移動回折格子３０は、回折格子２０により分離されて入射する第１周波数ｆ１のレーザ光に対して変調周波数δの変調を与える。

回折格子２０により分離された０次成分の信号光ＥＳは、ビームスプリッタ６０を透過し、測定対象７０の反射面７２に入射し、反射面７２で反射した反射信号光ＥＳは、再びビームスプリッタ６０に入射する。

一方、ビームスプリッタ５０により合成されたレーザ光である参照光ＥＲは、ビームスプリッタ６０に入射する。そして、ビームスプリッタ６０により反射ｚ信号光ＥＳと参照光ＥＲとは光ヘテロダイン干渉し、この干渉光は光検出器８０に入射する。

光検出器８０は、入射する干渉光を示す干渉信号を検出する。即ち、光検出器８０は、入射する干渉光をその干渉光の強度に対応する電流信号に変換し、電流信号を電圧信号に変換することで、干渉光の強度に対応する電圧信号（干渉信号）を検出する。

ここで、反射信号光ＥＳ及び参照光ＥＲは、次式で表すことができる。

［数３］式において、ｕＳ，ｕＲは、それぞれ反射信号光ＥＳ及び参照光ＥＲの光強度であり、ｆは、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）であり、φは、反射信号光ＥＳと参照光ＥＲとの位相差（参照光ＥＲの位相をゼロとしたときの反射信号光ＥＳの位相）であり、δは、参照光ＥＲに与えられた変調周波数である。

干渉光として検出されるのは電場の強度変化であるため、光検出器８０により検出される検出信号は、次式で表すことができる。

［数４］式に示すように、光検出器８０により検出される干渉信号は、変調周波数δの周期を有し、反射信号光ＥＳの位相φを含む。この位相φは、ビームスプリッタ６０と測定対象７０の反射面７２との距離に応じて変化する。

光検出器８０により検出された干渉信号は、位相検出器９０に加えられる。位相検出器９０の他の入力には、発信器６２から周波数δの正弦波信号Ｓδが加えられており、位相検出器９０は、正弦波信号Ｓδを参照信号として干渉信号に含まれる反射信号光ＥＳの位相φを検出する。

位相検出器９０は、検出した位相φを示す位相情報を測距部９２に出力する。測距部９２は、位相φを示す位相情報に基づいて測定対象７０の距離を算出する。

測距部９２は、信号光ＥＳの１波長分の長さの範囲内で測定対象７０の絶対的な距離を、位相φを示す位相情報から算出することができる。ここで、本例の信号光ＥＳは、１５０ＧＨｚの周波数（ｆ１－ｆ２）を有するため、位相検出器９０による位相φの検出分解能を、一般的な０．１°とすると、約０．３μｍの分解能で測定対象７０までの距離を測定することができる。

［レーザ距離測定装置の第２実施形態］
図８は、本発明に係るレーザ距離測定装置の第２実施形態を示す図である。

尚、図８において、図７に示した第１実施形態のレーザ距離測定装置と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図８に示す第２実施形態のレーザ距離測定装置は、図７に示した第１実施形態のレーザ距離測定装置と比較して、周波数変調したレーザ光を信号光として使用し、周波数変調していないレーザ光を参照光としている点で相違する。

即ち、図８に示す第２実施形態のレーザ距離測定装置は、移動回折格子３０により周波数変調された周波数（ｆ１＋δ）のレーザ光と、回折格子２０により分離された第２周波数ｆ２のレーザ光とがビームスプリッタ５０により合成された、周波数変調されたレーザ光を信号光ＥＳとして使用する。この信号光ＥＳは、ビート周波数（（ｆ１－ｆ２）＋δ）を有するレーザ光である。

また、第２実施形態のレーザ距離測定装置は、回折格子２０により正反射される０次成分の変調されていない２モードのレーザ光を、参照光ＥＲとして使用する。この参照光ＥＲは、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）に対応するビート周波数を有する。

干渉光学系を構成するビームスプリッタ６１は、ビームスプリッタ５０により合成されたレーザ光（信号光ＥＳ）が入射すると、入射した信号光ＥＳを透過させて測定対象７０に導き、測定対象７０の反射面７２で反射した反射信号光ＥＳが再度入射する。

また、ビームスプリッタ６１には、回折格子２０により正反射される０次成分の２モードのレーザ光（参照光ＥＲ）が入射しており、ビームスプリッタ６１は、これらの参照光ＥＲと反射信号光ＥＳとを重ね合せ（干渉させ）、干渉させた干渉光を光検出器８０に入射させる。

光検出器８０は、干渉光の強度に対応する干渉信号を検出する。

ここで、反射信号光ＥＳ及び参照光ＥＲは、次式で表すことができる。

［数５］式において、ｕＳ，ｕＲは、それぞれ反射信号光ＥＳ及び参照光ＥＲの光強度であり、ｆは、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）であり、φは、反射信号光ＥＳと参照光ＥＲとの位相差（参照光ＥＲの位相をゼロとしたときの反射信号光ＥＳの位相）であり、δは、信号光ＥＳに与えられた変調周波数である。

光検出器８０により干渉光として検出されるのは電場の強度変化であるため、光検出器８０により検出される検出信号は、次式で表すことができる。

第１実施形態のレーザ距離測定装置の光検出器８０は、［数４］式に示した干渉信号（電場の強度変化）を検出するのに対し、第２実施形態のレーザ距離測定装置の光検出器８０は、［数６］式に示した干渉信号を検出することになる。

［数６］式は、［数４］式と比較して、位相φの符号が異なるが、その他は同一の検出結果が得られるため、ビート周波数（ｆ１－ｆ２）を有する２モードのレーザ光と、変調周波数δで変調されたビート周波数（（ｆ１－ｆ２）＋δ）を有するレーザ光のうちの、いずれか一方を信号光として用い、他方を参照光として用いることができる。即ち、位相変調されたレーザ光を参照光として使用する場合に限らず、信号光として使用してもよく、要は信号光と参照光とは相対的に周波数変調されていればよい。

［レーザ距離測定方法の実施形態］
図９は、本発明に係るレーザ距離測定方法の実施形態を示すフローチャートである。

尚、図９に示すレーザ距離測定方法は、図７に示した第１実施形態のレーザ距離測定装置により行われる測定方法である。

図９において、レーザ発振器１０に印加する電流を調整し、第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２の２モードのレーザ光を発振させる（ステップＳ１０）。本例の２モード間の周波数差は、１５０ＧＨｚ程度である。

この２モードのレーザ光を回折格子２０に入射させ、回折格子２０により正反射の０次成分の２モードのレーザ光、第１周波数ｆ１のレーザ光、及び第２周波数ｆ２のレーザ光の３方向のレーザ光に分光する（ステップＳ１２）。

分光した第１周波数ｆ１のレーザ光を、周波数シフタとして機能する移動回折格子３０により変調周波数δにて変調する（ステップＳ１４）。変調周波数δは、例えば、扱いやすい５ｋＨｚとすることができる。

周波数変調した周波数（ｆ１＋δ）のレーザ光と分光した第２周波数ｆ２のレーザ光とをビームスプリッタ５０により合成する（ステップＳ１６）。

回折格子２０により分光した０次成分の２モードのレーザ光（ビート周波数（ｆ１－ｆ２）を有するレーザ光）を、信号光ＥＳとしてビームスプリッタ６０を介して測定対象７０に入射させ、ビームスプリッタ５０により合成したレーザ光（ビート周波数（（ｆ１－ｆ２）＋δ）を有するレーザ光）を、参照光ＥＲとしてビームスプリッタ６０に入射させる（ステップＳ１８）。

測定対象７０の反射面７２で反射する反射信号光ＥＳと参照光ＥＲとはビームスプリッタ６０により重ね合わされ、干渉光として光検出器８０に入射し、ここで、干渉光を示す干渉信号として検出される。位相検出器９０は、周波数δの正弦波信号Ｓδを参照信号として、干渉信号から干渉信号に含まれる反射信号光ＥＳの位相φを検出する（ステップＳ２０）。

測距部９２は、位相検出器９０により検出された位相φに基づいて、信号光ＥＳの１波長分の長さの範囲内で測定対象７０の絶対的な距離を算出する（ステップＳ２２）。本例では、信号光ＥＳは１５０ＧＨｚの周波数を有するため、位相検出器９０により検出される一般的な位相φの検出分解能を０．１°とすると、約０．３μｍの分解能で測定対象７０までの距離を測定することができる。

［その他］
本実施形態のレーザ発振器は、モード間の周波数差が１５０ＧＨｚの２モードのレーザ光を発振するが、これに限らず、測距目的に応じてモード間の周波数差が所望の周波数の２モードのレーザ光を発振するものとすることができる。

レーザ発振器から発振される２モードのレーザ光のモード間の周波数差が大きい程、測定対象の測距の分解能が高くなるが、測距できる範囲は狭く（小さく）なり、測距の分解能と測距できる範囲とはトレードオフの関係にある。尚、２モードのレーザ光のモード間の周波数差は、レーザ発振器の共振器長により決定することができる。

また、本実施形態では、レーザ発振器から、分光器として機能する１つの回折格子に２モードのレーザ光を入射させ、回折格子により正反射する０次成分の２モードのレーザ光と、それぞれ回折角が異なる第１周波数ｆ１のレーザ光と第２周波数ｆ２のレーザ光との３つのレーザ光を分光するようにしたが、これに限らず、２以上の分光器を使用して３つのレーザ光を分光するようにしてもよい。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１０…レーザ発振器、２０…回折格子、２２、２４、４０…ミラー、３０…移動回折格子、３２…駆動部、５０、６０、６１…ビームスプリッタ、６２…発信器、７０…測定対象、７２…反射面、８０…光検出器、９０…位相検出器、９２…測距部

Claims (6)

1. 相対的に周波数変調された信号光と参照光とを使用し、前記信号光を測定対象の反射面に入射させ、前記反射面で反射した前記信号光の反射信号光と前記参照光とを干渉させ、前記干渉した干渉光を示す干渉信号を光検出器により検出し、前記干渉信号に含まれる位相情報から前記測定対象までの距離を測定するレーザ距離測定装置において、
   印可される電流により第１周波数及び第２周波数の２モードのレーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から入射する前記２モードのレーザ光を、第１方向の前記２モードのレーザ光と、第２方向の前記第１周波数のレーザ光と、第３方向の前記第２周波数のレーザ光との３方向のレーザ光に分光する分光器と、
   前記分光器により分光された前記第１周波数のレーザ光を周波数変調させる周波数シフタと、
   前記周波数シフタにより周波数変調された前記第１周波数のレーザ光と前記分光器により分光された前記第２周波数のレーザ光とを合成する合成器と、を備え、
   前記信号光は、前記分光器により分光された前記２モードのレーザ光、及び前記合成器により合成された前記レーザ光のうちの一方のレーザ光であり、
   前記参照光は、前記分光器により分光された前記２モードのレーザ光、及び前記合成器により合成された前記レーザ光のうちの他方のレーザ光である、
   レーザ距離測定装置。
2. 前記レーザ発振器は、印可する電流により前記２モードのレーザ光を発振するレーザダイオード又は固体レーザである、
   請求項１にレーザ距離測定装置。
3. 前記分光器は、回折格子を含む、
   請求項１又は２に記載のレーザ距離測定装置。
4. 前記周波数シフタは、前記第１周波数のレーザ光が入射する移動回折格子、又は音響光学変調器である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ距離測定装置。
5. 前記合成器は、ビームスプリッタである、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ距離測定装置。
6. 相対的に周波数変調された信号光と参照光とを使用し、前記信号光を測定対象の反射面に入射させ、前記反射面で反射した前記信号光の反射信号光と前記参照光とを干渉させ、前記干渉した干渉光を示す干渉信号を光検出器により検出し、前記干渉信号に含まれる位相情報から前記測定対象までの距離を測定するレーザ距離測定方法において、
   レーザ発振器に印加する電流を調整し、前記レーザ発振器から第１周波数及び第２周波数の２モードのレーザ光を発振させるステップと、
   分光器が、前記レーザ発振器から入射する前記２モードのレーザ光を、第１方向の前記２モードのレーザ光と、第２方向の前記第１周波数のレーザ光と、第３方向の前記第２周波数のレーザ光との３方向のレーザ光に分光するステップと、
   周波数シフタが、前記分光器により分光された前記第１周波数のレーザ光を周波数変調させるステップと、
   合成器が、前記周波数シフタにより周波数変調された前記第１周波数のレーザ光と前記分光器により分光された前記第２周波数のレーザ光とを合成するステップと、を含み、
   前記信号光として、前記分光器により分光された前記２モードのレーザ光、及び前記合成器により合成された前記レーザ光のうちの一方のレーザ光を使用し、
   前記参照光として、前記分光器により分光された前記２モードのレーザ光、及び前記合成器により合成された前記レーザ光のうちの他方のレーザ光を使用する、
   レーザ距離測定方法。

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