JP5254844B2

JP5254844B2 - 距離測定装置

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Publication number: JP5254844B2
Application number: JP2009049016A
Authority: JP
Inventors: 功峯岸; 政裕大石; 直人神酒; 雄一吉村
Original assignee: Topcon Corp
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Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2013-08-07
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Description

本発明は、光周波数コムを用いて、２以上の周期信号の位相差から距離を測定する距離測定装置に係り、特に周期信号の周波数をビートダウンするために用いる発振器の周波数にゆらぎが生じても距離を測定可能な距離測定装置に関する。

フェムト秒モード同期パルスレーザ装置を用いた距離測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。モード同期パルスレーザの周波数スペクトルは、光パルスの繰り返し周波数で一定間隔に並び、かつ、モード間の位相が揃った多数の離散スペクトル（縦モード）で構成されている。正確な間隔の縦モードが櫛の歯のように多数立つため、この光パルスは、光周波数コム（ｃｏｍｂ）と呼ばれている。光周波数コムを用いた距離測定装置は、レーザを対象物に照射し、その反射光を受光素子で受光して、広いスペクトル幅の周波数成分から距離測定の分解能が高い周波数成分を選択し、これを物差しとして利用する。

特許文献１に記載の距離測定装置を図９に示す。距離測定装置は、レーザ装置１からのレーザ光線を基準光と測距光に分割する分割手段２と、基準光を受光して多数のビート信号を出力する基準受光部３と、測距光を受光して多数のビート信号を出力する測定受光部６とを有する。第１フィルタ１４は、測定受光部６の受光信号から測距用の周波数成分を含む成分を抜き出す。第２フィルタ１１は、基準受光部３の受光信号から基準用の周波数成分を含む成分を抜き出す。第１フィルタ１４および第２フィルタ１１からの周波数成分（例えば４０ＧＨｚ近辺）は、これと僅かに差を持つ発振器３０からの周波数（４０ＧＨｚ＋１０ＭＨｚ）と第１ミキサ３１および第２ミキサ３２で乗算され、低い周波数成分（１０ＭＨｚ）にビートダウンされる（ローカルオシレータ法）。低い周波数成分は、測距信号および基準信号として位相差測定回路１２に入力される。

しかしながら、発振器３０は、時間的ゆらぎを有した周波数を発生する場合があり、その時間的ゆらぎが生じると、ビートダウンされた測距信号および基準信号の周波数にもゆらぎが生じてしまう。

例えば、発振器３０の周波数が±１００ｐｐｍのゆらぎを持つ場合、周波数の変動量は±４ＭＨｚに達するため、第１ミキサ３１、第２ミキサ３２によってビートダウンされる処理信号周波数は、６ＭＨｚから１４ＭＨｚまで変動してしまう。このように、たとえ発振器３０の時間的ゆらぎを、受光信号から抜き出す周波数（４０ＧＨｚ）に対して±１０ｐｐｍ程度に落としたとしても、ビートダウンされた信号に対しては（１０ＭＨｚに対して±４００ｋＨｚとなり）大きなゆらぎとなる。したがって、処理信号周波数が変化したり、フィルタで取り出すことが困難になったりするため、処理信号間の位相差を測定することが困難になる。このため、ゆらぎの量を抑えた高精度の発振器が必要となっていた。

特開２００６−１８４１８１号公報

光周波数コム―新しい光のものさし―（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｉｓｔ＿ｊ／ｍｕｓｅｕｍ／ｋｅｉｓｏｋｕ／ｋｏｍｕ／ｋｏｍｕ．ｈｔｍｌ）

このような背景を鑑み、本発明は、光周波数コムから抜き出す周波数を発振器によってビートダウンするローカルオシレータ法において、発振器の周波数にゆらぎが生じても、ビートダウンした処理信号間の位相差から距離を測定可能な距離測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、レーザ光束として光周波数コムを発生するレーザ装置と、前記レーザ光束を基準光と測距光に分割する分割手段と、前記基準光を受光して多数のビート信号を出力する基準受光部と、前記測距光を受光して多数のビート信号を出力する測定受光部と、前記測定受光部のビート信号から抜き出す周波数成分と異なる周波数の周期信号を発振する発振器と、前記測定受光部からのビート信号と前記発振器が発振する周期信号との和と差の周波数成分を生成する第１ミキサと、前記基準受光部からのビート信号と前記発振器が発振する周期信号との和と差の周波数成分を生成する第２ミキサと、前記第１ミキサで生成された周波数成分から差の周波数成分のビート信号を抜き出す第４フィルタと、前記第２ミキサで生成された周波数成分から前記第４フィルタで抜き出された周波数成分と異なる周波数成分のビート信号を抜き出す第５フィルタと、前記第４フィルタで抜き出されたビート信号と前記第５フィルタで抜き出されたビート信号との和と差の周波数成分を生成する第３ミキサと、前記第３ミキサで生成された周波数成分から差の周波数成分のビート信号を抜き出す第６フィルタと、前記基準受光部のビート信号から第６フィルタで抜き出した周波数成分と同じ周波数成分のビート信号を抜き出す第２フィルタと、前記第６フィルタおよび前記第２フィルタで抜き出された２つのビート信号の位相差を測定する位相差測定部と、前記位相差測定部で測定された位相差に基づいて距離を測定する距離測定部と、を備えることを特徴とする距離測定装置である。

請求項１に記載の発明によれば、発振器の周波数にゆらぎが生じても、ビートダウンした処理信号周波数が変化しないため、処理信号間の位相差から距離を測定することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１ミキサおよび前記第２ミキサは、それぞれ前記測定受光部および前記基準受光部からの多数のビート信号に対して前記発振器の周期信号を直接乗算することを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、測定受光部および基準受光部からの多数のビート信号に対してフィルタを用意する必要がないため、簡易な構成にすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記発振器の周波数は、前記測定受光部のビート信号に対して前記光周波数コムの周波数間隔の１／ｎ（ｎ≠１，２）だけ差を持つことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、第１ミキサおよび第２ミキサが、それぞれ測定受光部および基準受光部からのビート信号と発振器の周期信号とを乗算した場合に、抜き出したい周波数成分を維持した信号成分が生成される。このため、抜き出したい周波数成分が適切にビートダウンされる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記発振器の周波数は、前記測定受光部のビート信号に対して光周波数コムの周波数間隔の１／４だけ差を持つことを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、第１ミキサおよび第２ミキサが、それぞれ測定受光部および基準受光部からのビート信号と発振器の周期信号とを乗算した場合に、周波数スペクトルの間隔が等しい信号成分が生成される。このため、その信号成分から抜き出したい周波数成分を抜き出し易くなる。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１ミキサおよび前記第２ミキサで生成された信号成分における周波数スペクトルの間隔は、等間隔であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、第１ミキサおよび第２ミキサで生成された信号成分から抜き出したい周波数成分を抜き出し易くなる。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記測定受光部から少なくとも一つのビート信号を抜き出す第１フィルタと、前記基準受光部から少なくとも一つのビート信号を抜き出す第３フィルタとをさらに備え、前記第１ミキサは、前記第１フィルタからのビート信号と前記発振器が発振する周期信号との和と差の周波数成分を生成し、前記第２ミキサは、前記第３フィルタからのビート信号と前記発振器が発振する周期信号との和と差の周波数成分を生成することを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、発振器の周波数にゆらぎが生じても、ビートダウンした処理信号周波数が変化しないため、処理信号間の位相差から距離を測定することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記発振器の周波数は、前記第１フィルタおよび前記第３フィルタを通過する周波数の範囲外に設定されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明によれば、発振器の周波数は、第１フィルタおよび第３フィルタで抜き出したビート信号の周波数成分と重ならない。このため、第１ミキサおよび第２ミキサが、それぞれ第１フィルタおよび第３フィルタで抜き出したビート信号と発振器の周期信号とを乗算した場合に、抜き出したい周波数成分を維持した信号成分が生成される。したがって、抜き出したい周波数成分が適切にビートダウンされる。

本発明によれば、光周波数コムから抜き出す周波数を発振器によってビートダウンするローカルオシレータ法において、発振器の周波数にゆらぎが生じても、ビートダウンした処理信号間の位相差から距離を測定することができる。

第１の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。第１の実施形態に係る光周波数コムと抜き出す周波数成分との関係を説明する説明図である。第１の実施形態に係る発振器の周波数の設定方法を説明する説明図である。第１の実施形態に係る発振器の周波数の時間的ゆらぎと処理信号周波数との関係を説明する説明図である。第２の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。第２の実施形態に係る光周波数コムと抜き出す周波数成分との関係を説明する説明図である。第２の実施形態に係る発振器の周波数の設定方法を説明する説明図である。第２の実施形態に係る発振器の周波数の時間的ゆらぎと処理信号周波数との関係を説明する説明図である。従来の距離測定装置のブロック図である。

１．第１の実施形態
以下、距離測定装置の一例について、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。距離測定装置は、フェムト秒モード同期レーザ装置１、分割手段２、基準受光部３、ハーフミラー４、ハーフミラー５、測定受光部６、レンズ７、コーナーキューブ８、レンズ９、チョッパー１０、第２フィルタ１１、第３フィルタ１３、第１フィルタ１４、発振器５０、第１ミキサ３１、第２ミキサ３２、第４フィルタ５１、第５フィルタ５２、第３ミキサ５３、第６フィルタ５４、位相差測定回路１２、距離測定部１７を備える。距離測定装置は、光周波数コムを用いたフェムト秒コム距離計であり、距離測定装置から測定対象物に設けられるコーナーキューブ８までの距離を測定する。

フェムト秒モード同期レーザ装置１は、フェムト秒という非常に短いパルス幅のパルスを一定間隔で出力する。１つのパルスは、広い周波数スペクトルを有している。周波数スペクトルは、光パルスの繰り返し周波数で一定間隔に並び、かつ、モード間の位相が揃った多数の離散スペクトル（縦モード）で構成されている。正確な間隔の縦モードが櫛の歯のように多数立つため、この光パルスは、光周波数コム（ｃｏｍｂ）と呼ばれている。

フェムト秒モード同期レーザ装置１は、例えば、励起光源、光ファイバ、光アイソレータ、可飽和吸収体、光カプラを備える。励起光源には、レーザダイオード等の励起用半導体レーザを使用し、光ファイバには、エルビウム等の希土類イオンをドープしたシングルモード光ファイバを使用する。共振器は、光ファイバでリング状に形成される。リング共振器内には、光アイソレータ、可飽和吸収体、および光カプラが配置される。

励起光源からの光は、光ファイバ内に入射する。光アイソレータは、共振器内に入射した光の反射を防ぐ。可飽和吸収体は、強度の弱い光を吸収し、強度の強い光で飽和する。これにより、各モード間の位相が時間的に同期すると共に、位相差が一定となる（モード同期）。各モードの光が共振器内で互いに干渉し、フェムト秒台の超短パルスが多重モード発振する。光カプラは、リング共振器から光パルスを取り出す。

なお、モード同期方法としては、共振器内に可飽和吸収体を挿入する受動モード同期（ｐａｓｓｉｖｅｍｏｄｅｌｏｃｋｉｎｇ）の他、光変調器による強制モード同期（ｆｏｒｃｅｄｍｏｄｅｌｏｃｋｉｎｇ）を用いてもよい。光変調器は、共振器内における光巡回時間の逆数の自然数倍に等しい繰り返し周波数で共振器内の光を変調する。

例えば、フェムト秒モード同期レーザ装置１の共振器長Ｌが４ｍ、光ファイバの屈折率ｎが１．５、真空中の光速度ｃが３×１０^８ｍ／ｓである場合、以下の式からリング共振器内における光巡回時間Ｔは２０ｎｓであり、光パルスの繰り返し周波数ｆｒは５０ＭＨｚとなる。

フェムト秒モード同期レーザ装置１からの光束は、分割手段２によって基準受光部３に向かう基準光２７と、測距用の光束（測距光２８と内部参照光２９）に分けられる。基準光２７は、基準受光部３で受光され、測距用の光束と位相を比較するための基準信号となる。

測距用の光束は、ハーフミラー４によって測距光２８と内部参照光２９に分けられる。内部参照光２９は、ハーフミラー５によって反射されて、測定受光部６に入射する。測距光２８は、レンズ７を透過して、測定対象物のコーナーキューブ８で反射する。反射した測距光２８は、レンズ９を透過して、ハーフミラー５を透過し、測定受光部６に受光され、測距信号となる。

測距光２８と内部参照光２９は、チョッパー１０によって交互に切り替えられる。チョッパー１０の切り替え前後における測距値の差を取ることで、内部参照光路ａと外部測定光路ｂの差の距離が測定される。

次に信号処理について説明する。第２フィルタ１１は、基準受光部３の受光信号から、位相差測定に用いる周波数成分を抜き出す。ここでは、光パルスの繰り返し周波数（光周波数コムの周波数間隔、例えば５０ＭＨｚ）に等しい周波数成分を抜き出す。第２フィルタ１１からの基準信号は、位相差測定回路１２に入力する。

第１フィルタ１４は、測定受光部６の受光信号から測距用の第１の高周波数成分（例えば４０ＧＨｚ）を含む周波数成分（４０ＧＨｚ近辺）を抜き出す。第３フィルタ１３は、基準受光部３の受光信号から、第１フィルタ１４で抜き出した周波数成分と僅かに差がある第２の高周波数成分（例えば４０ＧＨ＋５０ＭＨｚ）を含む周波数成分（４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ近辺）を抜き出す。なお、「僅かに差がある」とは、光周波数コムの周波数間隔（５０ＭＨｚ）だけ差があることをいうが、これに限ることはなく、第２フィルタ１１で抜き出した成分の周波数分だけ差をつけるとよい。

発振器５０は、第１の高周波数成分（４０ＧＨｚ）および第２の高周波数成分（４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）と十分に差がある単一高周波数成分（３９ＧＨｚ）を第１ミキサ３１と第２ミキサ３２に出力する。なお、「十分に差がある」とは、抜き出す周波数（例えば４０ＧＨｚ）の４０分の１以上の差（１ＧＨｚ）があることをいう。

第１ミキサ３１は、第１フィルタ１４を通過した高周波数成分（４０ＧＨｚ近辺）と発振器５０の高周波数成分（３９ＧＨｚ）を乗算して、和と差の周波数成分を生成する。第４フィルタ５１は、差の周波数成分（１ＧＨｚ）を抜き出す。なお、第１フィルタ１４は、この差の周波数成分（１ＧＨｚ）と同じ周波数を生成する不要な高周波数成分（３８ＧＨｚ）を通過させないように設定されている。

第２ミキサ３２は、第３フィルタ１３を通過した高周波数成分（４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ近辺）と発振器５０の高周波数成分（３９ＧＨｚ）を乗算して、和と差の周波数成分を生成する。第５フィルタ５２は、差の周波数成分（１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を抜き出す。なお、第３フィルタ１３は、この差の周波数成分（１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）と同じ周波数を生成する不要な高周波数成分（３８ＧＨｚ−５０ＭＨｚ）を通過させないように設定されている。

第３ミキサ５３は、第４フィルタ５１からの周波数成分（１ＧＨｚ）と、第５フィルタ５２からの周波数成分（１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を乗算して、和と差の周波数成分を生成する。第６フィルタ５４は、差の周波数成分（５０ＭＨｚ）である測距信号を抜き出す。測距信号は、位相差測定回路１２に入力する。

なお、光周波数コムは、広い周波数帯域にあるため、測定受光部６の受光信号から抜き出す周波数成分（波長）を可変にし、測定環境に応じた距離測定を行ってもよい。これによって、空気の屈折率が気温や気圧変化、浮遊物や霧等によって変化しても精度良く距離測定を行うことができる。

位相差測定回路１２は、基準信号と測距信号の位相差を測定する。位相差のデータは、距離測定部１７に出力される。距離測定部１７は、その位相差から距離を測定する。位相差をΔφ、距離をＤ、周波数をｆ、光速をＣとすれば、位相差は、Δφ＝４πｆＤＣと表される。コーナーキューブ８までの距離は、内部参照光路ａと外部測定光路ｂの差として算出される。

以下、発振器５０の周波数の設定方法について説明する。図２は、光周波数コムと抜き出す周波数成分との関係を説明する説明図であり、図３は、発振器の周波数の設定方法を説明する説明図である。

図２に示すように、光周波数コムの周波数スペクトルのうち４０ＧＨｚを測距信号として利用する場合、まず、測定受光部６の受光信号から４０ＧＨｚの周波数成分を含む４０ＧＨｚ近辺の周波数成分をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：第１フィルタ１４）によって抜き出す。

次に基準受光部３の受光信号から４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚの周波数成分をを含む４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ近辺の周波数成分をＢＰＦ（第３フィルタ１３）によって抜き出す。

第１フィルタ１４からの周波数成分（４０ＧＨｚ）と第３フィルタ１３からの周波数成分（４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）は、図３の中段に示されている。

図２に戻り、４０ＧＨｚと４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚの周波数成分は、それぞれ発振器５０の周波数（３９ＧＨｚ）と乗算され、差の周波数成分（１ＧＨｚと１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）がＢＰＦ（第４フィルタ５１と第５フィルタ５２）によってそれぞれ抜き出される。

発振器５０の周波数（３９ＧＨｚ）で差分された周波数成分（１ＧＨｚと１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）は、図３の下段に示されている。

図３の中段において、発振器５０の周波数が、例えば４０ＧＨｚ−５０ＭＨｚの場合について考える。発振器５０の周波数よりも低いビート信号の周波数成分（例えば４０ＧＨｚ−１００ＭＨｚ）と、発振器５０の周波数よりも高いビート信号の周波数成分（例えば４０ＧＨｚ）は、発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−５０ＭＨｚ）で差分された場合、いずれも５０ＭＨｚの周波数成分を生成する。

この場合、抜き出したい周波数成分（４０ＧＨｚ）と不要な周波数成分（４０ＧＨｚ−１００ＭＨｚ）が重なってしまう。すなわち、発振器５０の周波数よりも低い周波数成分と高い周波数成分が発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−５０ＭＨｚ）をゼロとして折り返して重ねた信号成分が生成されてしまう。

しかしながら、第１の実施形態では、発振器５０の周波数は、抜き出したい周波数（４０ＧＨｚと４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）の４０分の１以上の差（１ＧＨｚ）を持つように設定されており（３９ＧＨｚ）、第１フィルタ１４および第３フィルタ１３を通過する周波数の範囲外に設定されている。このため、図３の中段において、発振器５０の周波数（３９ＧＨｚ）は、第１フィルタ１４と第３フィルタ１３で抜き出したビート信号の周波数成分（４０ＧＨｚと４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）と重ならない。

したがって、図３の下段に示すように、３９ＧＨｚの発振器５０を用いてビートダウンすると、抜き出したい周波数成分（４０ＧＨｚと４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を維持した差の周波数成分（１ＧＨｚと１ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）が生成される。すなわち、抜き出したい周波数成分（４０ＧＨｚと４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）を適切にビートダウンすることができる。

（第１の実施形態の優位性）
以下、第１の実施形態の優位性について説明する。図４は、発振器の周波数の時間的ゆらぎと処理信号周波数との関係を説明する説明図である。

図４に示すように、発振器５０の周波数に±１００ｐｐｍのゆらぎがある場合（３８．９９６ＧＨｚから３９．００４ＧＨｚ）、測定受光部６からの周波数成分は、０．９９６ＧＨｚから１．００４ＧＨｚになり、基準受光部３からの周波数成分は、１．０４６ＧＨｚから１．０５４ＧＨｚとなり、それぞれの周波数はゆらぎの影響を大きく受けてしまう。しかし、本実施形態ではさらに両者の差を取り、それぞれの差（５０ＭＨｚ）は、光周波数コムの周波数間隔（５０ＭＨｚ）で一定であるため、測距信号（処理信号）は、常に５０ＭＨｚへビートダウンされる。

このように、第１の実施形態によれば、発振器５０の周波数がゆらいだとしても、処理信号周波数が変化しないため、測距信号と基準信号の位相差を安定して測定することができる。

２．第２の実施形態
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。第２の実施形態は、図１の第１フィルタ１４と第３フィルタ１３をなくした構成である。もしくは、図１の第１フィルタ１４と第３フィルタ１３の性能を低く抑えることができる構成である。以下、第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

図５は、第２の実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。光周波数コムの周波数スペクトルのうち４０ＧＨｚを測距信号として利用する場合、発振器５０の周波数は、測定受光部６の受光信号から抜き出したい周波数（例えば４０ＧＨｚ）と光周波数コムの周波数間隔（例えば５０ＭＨｚ）の１／４だけ差がある周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）に設定する。発振器５０の周波数の設定方法については、後述する。

第１ミキサ３１は、測定受光部６の受光信号（全スペクトル）と発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）との和と差の周波数成分を第４フィルタ５１に出力する。第４フィルタ５１は、差の周波数成分のうち１２．５ＭＨｚの周波数成分を抜き出す。

第２ミキサ３２は、基準受光部３の受光信号（全スペクトル）と発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）との和と差の周波数成分を第５フィルタ５２に出力する。第５フィルタ５２は、差の周波数成分のうち６２．５ＭＨｚの周波数成分を抜き出す。

第３ミキサ５３は、１２．５ＭＨｚと６２．５ＭＨｚの周波数成分を乗算し、和と差の周波数成分を第６フィルタ５４に出力する。第６フィルタ５４は、差の周波数成分（５０ＭＨｚ）を測距信号として、位相差測定回路１２に出力する。

位相差測定回路１２は、第６フィルタ５４で抜き出された測距信号（５０ＭＨｚ）と第２フィルタ１１で抜き出された基準信号（５０ＭＨｚ）を入力する。位相差測定回路１２および距離測定部１７における処理は、第１の実施形態と同様である。

以下、発振器の周波数の設定方法について説明する。図６は、光周波数コムと抜き出す周波数成分との関係を説明する説明図であり、図７は、発振器の周波数の設定方法を説明する説明図である。

図６に示すように、光周波数コムの周波数スペクトルのうち４０ＧＨｚを測距信号として利用する場合、まず、測定受光部６の受光信号（全スペクトル）と発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）を乗算し、和と差の周波数成分を生成する。この差の周波数成分のうち１２．５ＭＨｚの周波数成分をＢＰＦ（第４フィルタ５１）によって抜き出す。

また、基準受光部３の受光信号（全スペクトル）と発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）を乗算し、和と差の周波数成分を生成する。この差の周波数成分のうち６２．５ＭＨｚの周波数成分をＢＰＦ（第５フィルタ５２）によって抜き出す。

測定受光部６および基準受光部３の受光信号（全スペクトル）を発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）と直接乗算したときの差の周波数成分は、図７の下段右に示されている。

図７の下段右に示す差の周波数成分は、発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）をゼロとして、抜き出したい周波数成分（４０ＧＨｚと４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）に、発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）よりも低い不要な周波数成分を折り返して重ねた信号成分となる。

図７の上段において、不要な周波数成分（例えば４０ＧＨｚ−５０ＭＨｚと４０ＧＨｚ−１００ＭＨｚ）が折り返され、抜き出したい周波数成分（４０ＧＨｚと４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）に重ならないためには、発振器５０の周波数を光周波数コムの周波数間隔（５０ＭＨｚ）の１／２の整数倍以外としなければならない（１／ｎ（ｎ≠１，２））。すなわち、発振器５０の周波数は、測定受光部６から出力されたビート信号に対して、光周波数コムの周波数間隔の１／ｎ（ｎ≠１，２）だけ差を持つように設定する必要がある。なお、発振器５０の周波数を光周波数コムの周波数間隔の１／２の整数倍とした場合には、発振器５０の周波数よりも低い周波数成分と高い周波数成分が重なり、抜き出したい周波数成分が維持されない。

さらに、差の周波数成分を拡大したものを図７の下段左に示す。抜き出したい周波数成分（４０ＧＨｚと４０ＧＨｚ＋５０ＭＨｚ）は、発振器５０の周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）によってビートダウンされ、図７の下段左に示すように、１２．５ＭＨｚと６２．５ＭＨｚになる。また、不要な周波数成分（４０ＧＨｚ−５０ＭＨｚと４０ＧＨｚ−１００ＭＨｚ）は、３７．５ＭＨｚと７５ＭＨｚになる。

抜き出したい周波数成分（１２．５ＭＨｚと６２．５ＭＨｚ）をＢＰＦ（第４フィルタ５１と第５フィルタ５２）で抜き出し易くするためには、図３下段左に示すように、差の周波数成分の間隔が等しいことが好ましい。そこで、発振器５０の周波数は、測距信号として抜き出したい周波数（４０ＧＨｚ）に対して光周波数コムの周波数間隔（５０ＭＨｚ）の１／４だけ差を持つ周波数（４０ＧＨｚ−１２．５ＭＨｚ）に設定される。なお、ここでは抜き出したい周波数に対して光周波数コムの周波数間隔の１／４だけ差を持たせているが、これに限ることはなく、測定受光部６が出力するビート信号に対して光周波数コムの周波数間隔の１／４だけ差を持たせればよい。

また、ここでは第１の実施形態でいう第１フィルタ１４と第３フィルタ１３を用いない例を示したが、第１フィルタ１４と第３フィルタ１３を用いる構成としてもよい。その場合は、フィルタの性能を抑えることができる。

（第２の実施形態の優位性）
以下、第２の実施形態の優位性について説明する。図８は、発振器の周波数の時間的ゆらぎと処理信号周波数との関係を説明する説明図である。

図８に示すように、発振器５０の周波数に±１００ｐｐｍのゆらぎがある場合（３９．９８３５ＧＨｚから３９．９９１５ＧＨｚ）、測定受光部６からの周波数成分は、８．５ＭＨｚから１６．５ＭＨｚになり、基準受光部３からの周波数成分は、５８．５ＭＨｚから６６．５ＭＨｚとなり、それぞれの周波数はゆらぎの影響を大きく受けてしまう。しかし、本実施形態ではさらに両者の差を取り、それぞれの差（５０ＭＨｚ）は、光周波数コムの周波数間隔（５０ＭＨｚ）で一定であるため、測距信号（処理信号）は、常に５０ＭＨｚへビートダウンされる。

さらに、発振器５０の周波数を、測定受光部６が出力するビート信号（４０ＧＨｚ）に対して光周波数コムの周波数間隔の１／４だけ差を持たせることによって、必要とする周波数１２．５ＭＨｚと６２．５ＭＨｚ、除去する周波数３７．５ＭＨｚと７５．０ＭＨｚを選別する、第４フィルタ５１、第５フィルタ５２の特性を効率よく設定することが可能になる。また、必要とする周波数と除去する周波数との選別が容易になる。

このように、第２の実施形態によれば、発振器５０の周波数がゆらいだとしても、処理信号周波数が変化しないため、測距信号と基準信号の位相差を安定して測定することができ、さらに周波数選別を容易にできる。

本発明は、光周波数コムを用いて、２以上の周期信号の位相差から距離を測定する距離測定装置に用いることができる。

１…フェムト秒モード同期レーザ装置、２…分割手段、３…基準受光部、４…ハーフミラー、５…ハーフミラー、６…測定受光部、７…レンズ、８…コーナーキューブ、９…レンズ、１０…チョッパー、１１…第２フィルタ、１２…位相差測定回路、１３…第３フィルタ、１４…第１フィルタ、１７…距離測定部、３１…第１ミキサ、３２…第２ミキサ、５０…発振器、５１…第４フィルタ、５２…第５フィルタ、５３…第３ミキサ、５４…第６フィルタ。

Claims

レーザ光束として光周波数コムを発生するレーザ装置と、
前記レーザ光束を基準光と測距光に分割する分割手段と、
前記基準光を受光して多数のビート信号を出力する基準受光部と、
前記測距光を受光して多数のビート信号を出力する測定受光部と、
前記測定受光部のビート信号から抜き出す周波数成分と異なる周波数の周期信号を発振する発振器と、
前記測定受光部からのビート信号と前記発振器が発振する周期信号との和と差の周波数成分を生成する第１ミキサと、
前記基準受光部からのビート信号と前記発振器が発振する周期信号との和と差の周波数成分を生成する第２ミキサと、
前記第１ミキサで生成された周波数成分から差の周波数成分のビート信号を抜き出す第４フィルタと、
前記第２ミキサで生成された周波数成分から前記第４フィルタで抜き出された周波数成分と異なる周波数成分のビート信号を抜き出す第５フィルタと、
前記第４フィルタで抜き出されたビート信号と前記第５フィルタで抜き出されたビート信号との和と差の周波数成分を生成する第３ミキサと、
前記第３ミキサで生成された周波数成分から差の周波数成分のビート信号を抜き出す第６フィルタと、
前記基準受光部のビート信号から第６フィルタで抜き出した周波数成分と同じ周波数成分のビート信号を抜き出す第２フィルタと、
前記第６フィルタおよび前記第２フィルタで抜き出された２つのビート信号の位相差を測定する位相差測定部と、
前記位相差測定部で測定された位相差に基づいて距離を測定する距離測定部と、を備えることを特徴とする距離測定装置。
前記第１ミキサおよび前記第２ミキサは、それぞれ前記測定受光部および前記基準受光部からの多数のビート信号に対して前記発振器の周期信号を直接乗算することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
前記発振器の周波数は、前記測定受光部のビート信号に対して前記光周波数コムの周波数間隔の１／ｎ（ｎ≠１，２）だけ差を持つことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
前記発振器の周波数は、前記測定受光部のビート信号に対して光周波数コムの周波数間隔の１／４だけ差を持つことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
前記第１ミキサおよび前記第２ミキサで生成された信号成分における周波数スペクトルの間隔は、等間隔であることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
前記測定受光部から少なくとも一つのビート信号を抜き出す第１フィルタと、
前記基準受光部から少なくとも一つのビート信号を抜き出す第３フィルタとをさらに備え、
前記第１ミキサは、前記第１フィルタからのビート信号と前記発振器が発振する周期信号との和と差の周波数成分を生成し、
前記第２ミキサは、前記第３フィルタからのビート信号と前記発振器が発振する周期信号との和と差の周波数成分を生成することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
前記発振器の周波数は、前記第１フィルタおよび前記第３フィルタを通過する周波数の範囲外に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。