JP6019360B2 - 光ヘテロダイン距離計 - Google Patents

Description

本発明は、光ヘテロダイン距離計に関し、特に、光周波数コムを用いた光ヘテロダイン距離計に関する。

光ヘテロダイン距離計は、光ヘテロダイン干渉を用いて物体の特定点からの距離（又は、変位、位置）を非接触的に計測する測定装置として広く知られている。その基本原理は、信号光と参照光とから得られるビート（うなり）から信号光の位相情報を取り出し、その位相情報から物体の距離（又は、変位、位置）を得るというものである。

発明者らは、この光ヘテロダイン距離計において使用される光信号として、光周波数コムを用いることを提案している。光周波数コムとは、周波数領域において周波数が等間隔になっているような周波数成分からなる光信号のことである。光周波数コムは、時間領域では、超短パルスの列として現れる。図１は、光周波数コムの周波数スペクトルの例である。光周波数コムのｎ次モードの周波数ｆ（ｎ）は、次式（１）で表わされる：
ｆ（ｎ）＝ｎ・ｆ_Ｒ＋ｆ_０ ・・・（１）
ここで、ｆ_０はオフセット周波数であり、ｆ_Ｒは繰り返し周波数である。近年では、極めて周波数精度が高い光周波数コムを発生する光源が実現されており、このような光源を光ヘテロダイン距離計に用いることで、物体の距離の測定の分解能を向上させることができる。

より具体的には、非特許文献１（松本 弘一他、「光周波数コムを用いたノンプリズム型距離計測技術」、Proceedings
of 45^th Meeting on Lightwave Sensing Technology, LST45-19, June
2010, pp. 109-114）は、発明者らが提案した光周波数コム距離計を開示している。図２は、この光周波数コム距離計１００の構成を示すブロック図である。光周波数コム距離計１００は、光周波数コム光源１０１と、光ファイバ１０２と、コリメータ１０３と、ビームスプリッタ１０４と、フォトダイオード１０５、１０６と、ダブルバランストミキサ１０７と、ロックイン増幅器１０８とを備えている。

光周波数コム距離計１００の動作は、概略的には、次の通りである。光周波数コム光源１０１は、測定に使用する光信号として光周波数コムを発生する。光周波数コム光源１０１としては、フェムト秒モード同期ファイバーレーザを使用することが開示されている。発生された光周波数コムのビームは、光ファイバ１０２を介してコリメータ１０３に入射され、コリメータ１０３により平行ビームに形成される。この平行ビームは、ビームスプリッタ１０４で２つのビームに分割される。一方のビームは、ビームスプリッタ１０４で反射されてフォトダイオード１０５に入射し、参照光として使用される。フォトダイオード１０５は、入射した参照光を電気信号に変換する。この電気信号を、以下では参照信号という。他方のビームは、ビームスプリッタ１０４を通過して測定対象Ｓで反射される。測定対象Ｓで反射されたビームは、ビームスプリッタ１０４で反射されてフォトダイオード１０６に入射し、信号光として使用される。フォトダイオード１０６は、入射した信号光を電気信号に変換する。この電気信号を以下ではプローブ信号という。参照信号とプローブ信号のそれぞれにより、時間・周波数標準として使用されるＲＦ周波数信号１０９（これは、電気信号である）がダブルバランストミキサ１０７によって変調され、これにより、参照信号とプローブ信号のヘテロダイン信号がそれぞれに生成される。参照信号とプローブ信号のヘテロダイン信号の位相差φがロックイン増幅器１０８によって計測され、計測された位相差φから、測定対象Ｓの特定点からの距離（又は、変位、位置）が算出される。

図２に図示されている構成の光周波数コム距離計１００における一つの課題は、（例えばＧＨｚオーダーであるような）高周波数の信号を発生可能な高価な発振器が必要になることである。例えば、ＲＦ周波数信号１０９は、光周波数コム光源１０１によって生成される繰り返し周波数の整数倍に近い周波数に設定される必要がある。非特許文献１には、繰り返し周波数が４８．６８２２ＭＨｚである場合に、ＲＦ周波数信号１０９の周波数として、例えば、ＧＰＳ（global positioning system）から得られるＧＰＳ信号の周波数である１５５７．８４０８ＭＨｚを使用することが開示されている。１５５７．８４０８ＭＨｚの周波数は、光周波数コムの第３２次の周波数（１５５７．８３０４ＭＨｚ）に近いという理由から選択されている。このような高い周波数のＲＦ周波数信号１０９を発生可能な発振器は、高価である。また、高周波数のＲＦ周波数信号を用いることによって、周期誤差を招くことが多い。

しかしながら、発明者の更なる検討によれば、光周波数コムを使用する光ヘテロダイン距離計において、（例えばＧＨｚオーダーのような）高い周波数領域の信号を発生可能な高価な発振器を用いずに距離を計測することができる。高い周波数領域の信号を発生させずに距離を計測できる技術が提供されれば、装置の簡素化及び低廉化のみならず、高分解能化を実現することができ、更に、周期誤差が発生しにくい点でも有用である。

松本 弘一他、「光周波数コムを用いたノンプリズム型距離計測技術」、Proceedingsof 45th Meeting on Lightwave Sensing Technology, LST45-19, June2010, pp. 109-114

したがって、本発明の目的は、高周波数信号を発生する発振器を用いずに距離を算出することができる光ヘテロダイン距離計を提供することにある。

本発明の一の観点では、光ヘテロダイン距離計が、信号光を生成する第１光源と、
参照光を生成する第２光源と、参照光と、測定対象によって反射された後の信号光とが入射され、電気信号であるビート信号を生成する第１光検出器と、電気信号である参照信号を生成する信号生成器と、ビート信号と参照信号とから測定対象の距離を算出する距離算出手段とを具備している。信号光と参照光とは、いずれも光周波数コムとして生成されている。信号光と参照光のそれぞれの繰り返し周波数は、一方の繰り返し周波数が他方の繰り返し周波数の整数倍にならないように設定されている。

好適な一実施形態では、当該光ヘテロダイン距離計が、更に、測定対象によって反射される前の信号光の一部と参照光の一部とが入射され、電気信号である参照ビート信号を出力する第２光検出器と、フィルタとを備えている。フィルタは、参照ビート信号から信号光の特定の周波数成分と参照光の特定の周波数成分の周波数差に対応する周波数成分を取り出して参照同期信号を生成する。信号生成器は、参照同期信号に同期して参照信号を生成する。

一実施形態では、距離算出手段は、ビート信号の特定の周波数成分と参照信号との位相差を検出する位相差検出器と、検出された位相差から測定対象の距離を算出する演算部とを備えている。

好適な一実施形態では、位相差は、ビート信号の、互いに周波数が異なる第１乃至第Ｎ周波数成分（Ｎは３以上の整数）について算出される。第１乃至第Ｎ周波数成分のうちの第ｉ周波数成分（ｉは１以上Ｎ以下の任意の整数）について位相差が検出される場合、参照信号は、第ｉ周波数成分に対応する周波数の周波数成分を含むように生成され、演算部は、第１乃至第Ｎ周波数成分について算出された位相差から測定対象の距離を算出する。

他の実施形態では、距離算出手段は、変調信号を生成する変調信号生成器と、変調信号をビート信号で変調してヘテロダイン信号を生成するミキサと、ヘテロダイン信号と参照信号との位相差を検出する位相差検出器と、検出された位相差から測定対象の距離を算出する演算部とを備えている。この場合、変調信号生成器は、上述の参照同期信号に同期して変調信号を生成してもよい。

当該光ヘテロダイン距離計では、信号光と参照光とが相互にコヒーレントであるように生成されることが好ましい。

本発明によれば、高周波数信号を発生する発振器を用いずに距離を算出することができる光ヘテロダイン距離計を提供することができる。

光周波数コムの周波数スペクトルの例を示す図である。 公知の光周波数コム距離計の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の光ヘテロダイン距離計の構成を示す図である。 第１の実施形態における信号光と参照光の周波数成分を列挙した表である。 本発明の第２の実施形態の光ヘテロダイン距離計の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光ヘテロダイン距離計の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光ヘテロダイン距離計の他の構成を示す図である。

第１の実施形態：
図３は、本発明の第１の実施形態の光ヘテロダイン距離計１の概略的な構成を示す図である。光ヘテロダイン距離計１は、測定対象Ｓの距離Ｄを計測するように構成されており、光周波数コム光源２、３と、光ファイバ４、５と、コリメータ６、７と、ビームスプリッタ８と、コリメータ９と、光ファイバ１１と、光検出器１２と、周波数シンセサイザ１３と、ロックイン増幅器１４と、基準発振器１５と、演算装置２０とを備えている。

光周波数コム光源２、３は、光周波数コムのビームを生成する。上述のように、光周波数コムとは、周波数領域において周波数が等間隔になっているような周波数成分からなる光信号のことである。光周波数コム光源２としては、例えば、エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）で形成されたリング共振器をレーザダイオードで駆動する構成のレーザ発振器を用いることができる。

光周波数コム光源２、３がそれぞれに生成する光周波数コムのオフセット周波数と繰り返し周波数とは、生成された２つの光周波数コムが、周波数が一致しないが近接する周波数成分を含むように制御されている。即ち、光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムは、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの少なくとも一の周波数成分の周波数に近い周波数の周波数成分を含んでいる。

本実施形態では、光周波数コム光源２、３がそれぞれに生成する光周波数コムの繰り返し周波数ｆ_Ｒが異なっている。より厳密には、光周波数コム光源２、３がそれぞれに生成する光周波数コムの一方の繰り返し周波数が他方の繰り返し周波数の整数倍（１倍を含む）にならないように、繰り返し周波数が調節されている。このような条件を満足する繰り返し周波数を持つ光周波数コムの光周波数コム光源２、３によって生成されていることにより、光周波数コム光源２、３によって生成された２つの光周波数コムが、（同一ではないが）近接する周波数の周波数成分を有するようになっている。

図４は、光周波数コム光源２、３の周波数成分の例を示している。図４の例では、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの繰り返し周波数ｆ_Ｒが１００．００００ＭＨｚであり、光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムの繰り返し周波数ｆ_Ｒが５８．４１７５ＭＨｚである。なお、図４においては、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムのオフセット周波数ｆ_０１と光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムのオフセット周波数ｆ_０２とが同一値（ｆ_０）であるとし、更に、オフセット周波数ｆ_０を減じて表記している。例えば、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの７次の周波数成分の周波数（ｆ_０＋７００．００００ＭＨｚ）は光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムの１２次の周波数成分（ｆ_０＋７０１．０１００ＭＨｚ）の周波数に近い。また、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの１８次の周波数成分の周波数（ｆ_０＋１８００．００００ＭＨｚ）は、光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムの３１次の周波数成分（ｆ_０＋１８１０．９４２５ＭＨｚ）の周波数に近い。後述されるように、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムの近接する周波数の周波数成分が、測定対象Ｓの距離Ｄの同定に使用される。

なお、光周波数コム光源２、３がそれぞれに生成する光周波数コムのオフセット周波数ｆ_０１、ｆ_０２が同一であることには技術的意味はなく、オフセット周波数ｆ_０１、ｆ_０２は必ずしも同一でなくてもよい。オフセット周波数が同一でなくても、光周波数コム光源２、３がそれぞれに生成する光周波数コムの一方の繰り返し周波数が他方の繰り返し周波数の整数倍（１倍を含む）ではないという条件を満たせば、周波数が近接する（但し一致しない）周波数成分を含むような２つの光周波数コムを生成することができる。

光ファイバ４、５及びコリメータ６、７は、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムを信号光２１及び参照光２２として出射する信号光・参照光生成手段である。本実施形態の光ヘテロダイン距離計１では、光周波数コム光源２によって生成された光周波数コムが光ファイバ４及びコリメータ６を介して出射されて信号光２１として使用される。光ファイバ４は、光周波数コム光源２から出射された光周波数コムのビームを伝送してコリメータ６に入射する。コリメータ６は、受け取った光周波数コムのビームを平行ビームに形成してビームスプリッタ８及び測定対象Ｓに向けて出射する。一方、光周波数コム光源３によって生成された光周波数コムが光ファイバ５及びコリメータ７を介して出射されて参照光２２として使用される。詳細には、光ファイバ５は、光周波数コム光源３から出射された光周波数コムのビームを伝送してコリメータ７に入射する。コリメータ７は、受け取った光周波数コムのビームを平行ビームに形成してビームスプリッタ８に向けて出射する。

図３を再度に参照して、ビームスプリッタ８は、ハーフミラーとして構成されており、コリメータ６から出射された信号光２１を通過させて測定対象Ｓに入射すると共に、測定対象Ｓによって反射された信号光２１を反射してコリメータ９に入射する。加えて、ビームスプリッタ８は、コリメータ７から出射された参照光２２を通過させてコリメータ９に入射する。

コリメータ９は、光ファイバ１１と光学的に結合されており、コリメータ９に入射された信号光２１及び参照光２２を光ファイバ１１に入射する。光ファイバ１１は、信号光２１及び参照光２２を光検出器１２に入射する。光検出器１２は、信号光２１と参照光２２とが重畳されたビームの光強度を検出し、該光強度に対応する信号レベルを持つ電気信号であるビート信号２３を生成する。

周波数シンセサイザ１３は、電気信号である参照信号２４を生成してロックイン増幅器１４に供給する信号生成器である。周波数シンセサイザ１３は、参照信号２４の周波数を調節できるように構成されている。後述されるように、周波数シンセサイザ１３によって生成される参照信号２４の周波数は、ビート信号２３の特定の周波数成分の周波数に一致するように調節される。

ロックイン増幅器１４は、光検出器１２から受け取ったビート信号２３と周波数シンセサイザ１３から受け取った参照信号２４との位相差を検出する位相差検出器として使用される。

基準発振器１５は、光周波数コム光源２、３及び周波数シンセサイザ１３の同期（位相ロック）を行うための同期信号２５を生成する。光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コム（即ち、信号光２１及び参照光２２）と、周波数シンセサイザ１３によって発生される参照信号２４は、いずれも同期信号２５に同期して発生される。基準発振器１５としては、例えば、周波数安定性に優れるルビジウム発振器を用いることができる。

演算装置２０は、ビート信号２３と参照信号２４との位相差から測定対象Ｓの距離Ｄを算出する。

続いて、本実施形態の光ヘテロダイン距離計１による測定対象Ｓの距離Ｄの計測について説明する。本実施形態の光ヘテロダイン距離計１の基本的な原理は、光検出器１２に入射する信号光２１の位相が測定対象Ｓの距離Ｄに依存しているというものである。ただし、光の周波数領域では位相を検出することが困難であることから、信号光２１を位相の検出が可能な周波数領域にビートダウンすることが必要になる。

ここで、本実施形態では、信号光２１及び参照光２２として用いられる光周波数コムが、周波数が近接する周波数成分を含むということを利用してビートダウンを実現している。即ち、光検出器１２が生成するビート信号２３は、信号光２１と参照光２２とが重畳した光信号の光強度に対応する信号レベルを有する電気信号であるので、結果として、信号光２１と参照光２２の周波数成分のうち、周波数領域において近接している周波数成分の周波数差に対応する周波数の周波数成分を有している。例えば、図４を参照して、信号光２１として用いられる光周波数コムの１８次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８００．００００ＭＨｚ）と、参照光２２として用いられる光周波数コムの３１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８１０．９４２５ＭＨｚ）の周波数差Δｆは、１０．９４２５ＭＨｚであるので、ビート信号２３は、１０．９４２５ＭＨｚの周波数成分を持っている。ビート信号２３のこの周波数成分は、信号光２１の１８次の周波数成分の位相に対応する位相を持っている。

ここで、参照信号２４の周波数を、信号光２１及び参照光２２として用いられる光周波数コムの、周波数領域において近接した周波数成分の周波数差に対応する周波数に設定した上で、ビート信号２３と参照信号２４との位相差φをロックイン増幅器１４で検出すれば、この位相差φから測定対象Ｓの距離Ｄを求めることができる。例えば、参照信号２４を１０．９４２５ＭＨｚに設定すれば、ビート信号２３の様々な周波数成分のうち、信号光２１の１８次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８００．００００ＭＨｚ）と参照光２２の３１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８１０．９４２５ＭＨｚ）の周波数差に対応する周波数成分と参照信号２４との位相差φが検出される。距離Ｄは、ロックイン増幅器１４で検出された位相差φから下記式（２）で算出できる：

ここで、ｃは、当該光ヘテロダイン距離計１が設けられている媒質（一般的には、空気）における光速であり、ｎ_ｇは、当該媒質における群屈折率であり、Ｎは整数であり、Δｆは、位相差φを算出したビート信号２３の周波数成分に対応する、信号光２１（即ち、光周波数コム光源２によって生成された光周波数コム）の周波数ｆ_１と参照光２２（即ち、光周波数コム光源３によって生成された光周波数コム）の周波数ｆ_２の差分である。例えば、上述のように、信号光２１の１８次の周波数成分（ｆ_１＝ｆ_０＋１８００．００００ＭＨｚ）と参照光２２の３１次の周波数成分（ｆ_２＝ｆ_０＋１８１０．９４２５ＭＨｚ）から距離Ｄを算出する場合、Δｆは、それらの周波数の差である１０．９４２５ＭＨｚである。

式（２）から理解されるように、算出される距離Ｄには、周期ｃ／２ｎ_ｇｆの不定性がある。しかしながら、この不定性は、距離Ｄがある程度の範囲で既知であれば問題にならないし、また、別の測定手段で距離Ｄを測定することで解消することもできる。

更に、信号光２１と参照光２２の周波数成分の複数の組み合わせのそれぞれについて位相差を得れば、得られた位相差のそれぞれについて式（２）が成り立つことから、周期ｃ／２ｎ_ｇｆの不定性の問題を緩和することもできる。即ち、ある信号光２１と参照光２２の周波数成分の組み合わせから得られる距離Ｄの集合と、他の信号光２１と参照光２２の周波数成分の組み合わせから得られる距離Ｄの集合の両方に、（分解能に依存する誤差範囲内で）一致する要素が存在する場合、その要素Ｄ_{ＣＯＭＭＯＮ}は、真の距離としてより確からしい距離と考えられる。このようにして、距離Ｄの不定性を緩和することができる。より多数の信号光２１と参照光２２の周波数成分の組み合わせを用いれば、一層に距離Ｄの不定性を解消し、真の距離Ｄを確定的に得ることができる。

例えば、信号光２１の周波数ｆ_０＋ｆ_Ｓ１、ｆ_０＋ｆ_Ｓ２、ｆ_０＋ｆ_Ｓ３の周波数成分と、周波数領域において、これらの周波数成分にそれぞれに近接する参照光２２の周波数ｆ_０＋ｆ_Ｒ１、ｆ_０＋ｆ_Ｒ２、ｆ_０＋ｆ_Ｒ３の周波数成分とから距離Ｄを求める場合について考える。例えば、図４の例であれば、次の３つの信号光２１と参照光２２の周波数成分の組み合わせを用いることができる：
（ａ）信号光２１の１４次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１４００．００００ＭＨｚ）と、参照光２２の２４次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１４０２．０２００ＭＨｚ）
（ｂ）信号光２１の１８次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８００．００００ＭＨｚ）と、参照光２２の３１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８１０．９４２５ＭＨｚ）
（ｃ）信号光２１の２１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋２１００．００００ＭＨｚ）と、参照光２２の３６次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋２１０３．０３００ＭＨｚ）

この場合、参照信号２４の周波数を次式（３ａ）、（３ｂ）、（３ｃ）で与えられる３つの周波数差Δｆ_１、Δｆ_２、Δｆ_３：
Δｆ_１＝｜ｆ_Ｓ１−ｆ_Ｒ１｜ ・・・（３ａ）
Δｆ_２＝｜ｆ_Ｓ２−ｆ_Ｒ２｜ ・・・（３ｂ）
Δｆ_３＝｜ｆ_Ｓ３−ｆ_Ｒ３｜ ・・・（３ｃ）
に一致するように設定することで、信号光２１の周波数ｆ_０＋ｆ_Ｓ１、ｆ_０＋ｆ_Ｓ２、ｆ_０＋ｆ_Ｓ３の周波数成分の位相の情報をビート信号２３から取りだすことができる。ここで、周波数差Δｆ_１、Δｆ_２、Δｆ_３は、相互に異なっている必要がある。上記の３つの組み合わせ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いる場合には、参照信号２４の周波数は、次のように設定される：
Δｆ_１＝２．０２００（ＭＨｚ）
Δｆ_２＝１０．９４２５（ＭＨｚ）
Δｆ_３＝３．０３００（ＭＨｚ）

参照信号２４を周波数Δｆ_１、Δｆ_２、Δｆ_３にそれぞれ設定した状態で検出されたビート信号２３と参照信号２４の位相差を、それぞれ、φ_１、φ_２、φ_３とすると、下記式（４ａ）〜（４ｃ）が成り立つ：

ここで、Ｎ_１、Ｎ_２、Ｎ_３は整数である。

上記の式（４ａ）〜（４ｃ）のそれぞれについて距離Ｄの集合を算出し、その集合の全てに、（分解能に依存する誤差範囲内で）同一の要素が存在すれば、該要素の値を、測定対象Ｓの距離Ｄとして確からしい値として得ることができる。上記においては、３つの信号光２１と参照光２２の周波数成分の組み合わせについて述べているが、多数の信号光２１と参照光２２の周波数成分の組み合わせを用いれば、距離Ｄの不定性を解消し、真の距離Ｄを確定的に得ることができる。

本実施形態の光ヘテロダイン距離計１において、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムは、必ずしも相互にコヒーレントである必要はない。光検出器１２から出力されるビート信号２３は、電気信号であるから、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムがコヒーレントでなくてもビート信号２３においてビートが発生するからである。しかしながら、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムが相互にコヒーレントであれば、光検出器１２に入力される光信号自体に光ビートが発生するから、光検出器１２に必要な動作周波数を低くすることができる。これは、光ヘテロダイン距離計１を実際に構成する上で好ましい。

以上に述べられた本実施形態の光ヘテロダイン距離計１の利点は、（例えばＧＨｚオーダーのような）高周波数領域の信号を発生する発振器を用いずに測定対象Ｓの距離Ｄを測定できることである。ビート信号２３の様々な周波数成分のうち、測定対象Ｓの距離Ｄの算出に用いられる周波数成分は、距離Ｄの算出に用いる信号光２１と参照光２２の周波数成分の周波数差に対応する周波数成分である。これは、信号光２１と参照光２２の周波数成分として周波数差が近い組み合わせを選択することにより、低い周波数領域の信号しか用いずに、即ち、高周波数領域の信号を発生する発振器を用いずに測定対象Ｓの距離Ｄを計測できるようになることを意味している。

より詳細には、本実施形態では、測定対象Ｓの距離Ｄの計測のために周波数シンセサイザ１３によって参照信号２４が発生されるが、この参照信号２４の周波数は低くすることができる。なぜなら、上述のように、参照信号２４の周波数は、距離Ｄの算出に用いる信号光２１と参照光２２の周波数成分の周波数差に設定されるからである。これは、信号光２１と参照光２２の周波数成分として、周波数差が近い組み合わせを選択することで、参照信号２４の周波数を低く抑えることができることを意味している。

具体的な数値例を挙げれば、信号光２１の１８次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８００．００００ＭＨｚ）と参照光２２の３１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８１０．９４２５ＭＨｚ）の周波数差に対応するビート信号２３の周波数成分から距離Ｄを算出する場合には、参照信号２４の周波数は、１０．９４２５ＭＨｚでよい。また、信号光２１の１４次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１４００．００００ＭＨｚ）と参照光２２の２４次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１４０２．０２００ＭＨｚ）の周波数差に対応するビート信号２３の周波数成分から距離Ｄを算出する場合には、参照信号２４の周波数は、２．０２００ＭＨｚでよい。これらの例と、図２に図示された光周波数コム距離計１００におけるＲＦ周波数信号１０９の周波数（例えば、ＧＰＳ信号の周波数である１５５７．８４０８ＭＨｚ）と比較すれば、本実施形態における光ヘテロダイン距離計１における低周波数化の利点が理解されよう。このように低い周波数領域の信号しか用いずに距離を計測できることは、装置構成の簡素化・低廉化のみならず、高分解能化を実現するために好適である。

なお、上述の本実施形態では、基準発振器１５から光周波数コム光源２、３、及び、周波数シンセサイザ１３に同期信号２５を供給することで光周波数コム光源２、３、及び、周波数シンセサイザ１３の位相ロックを実現しているが、光周波数コム光源２、３、及び、周波数シンセサイザ１３の動作が安定していれば、位相ロックは必ずしも必要が無い。しかしながら、本実施形態のように、光周波数コム光源２、３、及び、周波数シンセサイザ１３の位相ロックを行うことは、距離Ｄの測定精度の向上に有用である。

第２の実施形態：
図５は、本発明の第２の実施形態の光ヘテロダイン距離計１Ａの構成を示すブロック図である。第２の実施形態の光ヘテロダイン距離計１Ａは、第２の実施形態の光ヘテロダイン距離計１と同様の構成を有しているが、周波数シンセサイザ１６とミキサ１７とを追加的に備えている点で相違している。

周波数シンセサイザ１６は、同期信号２５の供給を受けて同期信号２５に同期した電気信号である変調信号２６を発生する変調信号発生器として動作する。ミキサ１７は、変調信号２６をビート信号２３で変調することによりヘテロダイン信号２７を生成する。ヘテロダイン信号２７は、ビート信号２３が更にビートダウンされた信号であり、信号光２１の位相の情報が、ビート信号２３よりさらに低い周波数の周波数成分に含まれている。

本実施形態では、参照信号２４の周波数が、ヘテロダイン信号２７の周波数成分のうち、信号光２１の位相の情報を取り出そうとする周波数成分の周波数に設定される。例えば、信号光２１の２１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋２１００．００００ＭＨｚ）と、参照光２２の３６次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋２１０３．０３００ＭＨｚ）とを用いて測定対象Ｓの距離Ｄを測定する場合を考える。これらの周波数成分の周波数差は３．０３００ＭＨｚであるから、ビート信号２３の３．０３００ＭＨｚの周波数成分に、信号光２１の位相の情報が含まれている。この場合、変調信号２６の周波数を３．００００ＭＨｚに設定すれば、ヘテロダイン信号２７の３０．０ｋＨｚ（＝０．０３００ＭＨｚ）の周波数成分に信号光２１の位相の情報を取り出すことができる。参照信号２４の周波数は、ヘテロダイン信号２７の周波数に合わせて３０．０ｋＨｚに設定される。

ロックイン増幅器１４は、ヘテロダイン信号２７と参照信号２４の位相差を検出し、演算装置２０は、その位相差から測定対象Ｓの距離Ｄを算出する。

第２の実施形態では、ビート信号２３よりも相対的に低い周波数のヘテロダイン信号２７を用いて測定対象Ｓの距離Ｄを算出するため、ロックイン増幅器１４に求められる動作周波数をより低くすることができる。

なお、第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、３つ以上の信号光２１と参照光２２の周波数成分の組み合わせから不定性を解消しながら距離Ｄを算出してもよい。また、第２の実施形態でも、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムは、コヒーレントであってもよく、インコヒーレントであってもよい。但し、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムが相互にコヒーレントであることは、光検出器１２に必要な動作周波数を低くすることができる利点があることは、第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態：
図６は、本発明の第３の実施形態の光ヘテロダイン距離計１Ｂの構成を示すブロック図である。第３の実施形態の光ヘテロダイン距離計１Ｂは、第１の実施形態の光ヘテロダイン距離計１と類似した構成を有しているが、参照信号２４を生成する方法が異なっている。本実施形態では、測定対象Ｓによって反射される前の信号光２１の一部と、参照光２２の一部が取り出され、それらを合波して得られる光信号（即ち、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの一部と、光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムの一部とを合波して得られる光信号）から参照信号２４が生成される。

詳細には、第３の実施形態の光ヘテロダイン距離計１Ｂは、光分配器３１、３３と、光ファイバ３２、３４と、光合波器３５と、光ファイバ３６と、光検出器３７と、フィルタ３８とを追加的に備えている。光分配器３１は、光ファイバ４に設けられており、光ファイバ４を伝送されている（測定対象Ｓによって反射される前の）信号光２１の一部を光ファイバ３２に入射する。一方、光分配器３３は、参照光２２を分配し、参照光２２の一部を光ファイバ３４に入射する。光合波器３５は、それぞれ光ファイバ３２、３４から受け取った信号光２１の一部及び参照光２２の一部を合波した光信号を生成する。該光信号は、光ファイバ３６を介して光検出器３７に入射される。

光検出器３７は、光ファイバ３６から入射された該光信号の光強度を検出し、該光強度に対応する信号レベルを持つ電気信号である参照ビート信号４１を生成する。この参照ビート信号４１には、（図４に列挙されているような）光周波数コム光源２、３から出力された光周波数コムの周波数成分と、これらの光周波数コムの周波数成分の周波数差に一致する周波数の成分が含まれている。フィルタ３８は、参照ビート信号４１に含まれる様々な周波数成分のうち、周波数シンセサイザ１３の入力に対応する周波数範囲（典型的には、１０〜５０ＭＨｚ）にある周波数成分を取り出して参照同期信号４２として出力される。出力された参照同期信号４２は、周波数シンセサイザ１３に供給されて周波数シンセサイザ１３の位相ロックに使用される。

具体的な数値例として、例えば、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの繰り返し周波数ｆ_Ｒが１００．００００ＭＨｚで、光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムの繰り返し周波数ｆ_Ｒが５８．４１７５ＭＨｚであり、且つ、オフセット周波数ｆ_０が一致する場合を考える。この場合、例えば、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１００．００００ＭＨｚ）と光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムの１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋５８．４１７５ＭＨｚ）の周波数差に一致する周波数４１．５８２５ＭＨｚの周波数成分がフィルタ３８によって取り出され、参照同期信号４２として周波数シンセサイザ１３に供給される。周波数シンセサイザ１３は、参照同期信号４２に同期した参照信号２４を生成する。

参照信号２４を、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムの、周波数領域において近接した周波数成分の周波数差に対応する周波数に設定した上で、ビート信号２３と参照信号２４との位相差φをロックイン増幅器１４で検出すれば、第１及び第２の実施形態と同様に、位相差φから測定対象Ｓの距離Ｄを求めることができる。例えば、図４を参照して、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの１８次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８００．００００ＭＨｚ）と、光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムの３１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８１０．９４２５ＭＨｚ）の周波数差Δｆは、１０．９４２５ＭＨｚであるので、ビート信号２３は、１０．９４２５ＭＨｚの周波数成分を持っている。加えて、参照信号２４を１０．９４２５ＭＨｚに設定すれば、ビート信号２３の様々な周波数成分のうち、光周波数コム光源２によって生成される光周波数コムの１８次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８００．００００ＭＨｚ）と光周波数コム光源３によって生成される光周波数コムの３１次の周波数成分（周波数：ｆ_０＋１８１０．９４２５ＭＨｚ）の周波数差に対応する周波数成分と参照信号２４との位相差φが検出される。距離Ｄは、ロックイン増幅器１４で検出された位相差φから上記の式（２）で算出できる。

光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムを重ね合わせた光信号から生成される参照ビート信号４１を用いて周波数シンセサイザ１３の位相ロックを行う本実施形態では、位相ロックの正確性が増し、より正確に測定対象Ｓの距離Ｄを測定することができる。

なお、本実施形態においても、第２の実施形態と同様に、周波数シンセサイザ１６とミキサ１７とを用いてビート信号２３に対して更にビートダウンを行ってもよい。図７は、このような構成の光ヘテロダイン距離計１Ｃの構成を示すブロック図である。周波数シンセサイザ１６は、参照同期信号４２の供給を受けて参照同期信号４２に同期した電気信号である変調信号２６を発生する。ミキサ１７は、変調信号２６をビート信号２３で変調することによりヘテロダイン信号２７を生成する。参照信号２４の周波数をヘテロダイン信号２７の周波数成分のうち、信号光２１の位相の情報を取り出そうとする周波数成分の周波数に設定した上で、ヘテロダイン信号２７と参照信号２４との位相差φをロックイン増幅器１４で検出すれば、第２の実施形態と同様に、位相差φから測定対象Ｓの距離Ｄを求めることができる。

また、本実施形態でも、第１及び第２の実施形態と同様に、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムの周波数成分の３つ以上の組み合わせから不定性を解消しながら距離Ｄを算出してもよい。更に、第３の実施形態でも、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムは、コヒーレントであってもよく、インコヒーレントであってもよい。但し、光周波数コム光源２、３によって生成される光周波数コムが相互にコヒーレントであることは、光検出器１２、３７に必要な動作周波数を低くすることができる利点があることは、第１及び第２の実施形態と同様である。

なお、上述の実施形態では、簡単のため、光周波数コム光源２、３がそれぞれに生成する光周波数コムのオフセット周波数は同一であるとして説明を行っているが、オフセット周波数は必ずしも同一でなくてもよい。オフセット周波数が同一でなくても、光周波数コム光源２、３がそれぞれに生成する光周波数コムの一方の繰り返し周波数が他方の繰り返し周波数の整数倍（１倍を含む）ではないという条件を満たせば、周波数が近接する（但し一致しない）周波数成分を含むような２つの光周波数コムを生成することができる。

以上には、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明が上記の実施形態に限定されると解釈してはならない。本発明は、当業者には自明的な様々な変更をしたうえで実施され得る。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ：光ヘテロダイン距離計
２、３：光周波数コム光源
４、５：光ファイバ
６、７：コリメータ
８：ビームスプリッタ
９：コリメータ
１１：光ファイバ
１２：光検出器
１３：周波数シンセサイザ
１４：ロックイン増幅器
１５：基準発振器
１６：周波数シンセサイザ
１７：ミキサ
２１：信号光
２２：参照光
２３：ビート信号
２４：参照信号
２５：同期信号
２６：変調信号
２７：ヘテロダイン信号
３１、３３：光分配器
３２、３４：光ファイバ
３５：光合波器
３６：光ファイバ
３７：光検出器
３８：フィルタ
４１：参照ビート信号
４２：参照同期信号
１００：光周波数コム距離計
１０１：光周波数コム光源
１０２：光ファイバ
１０３：コリメータ
１０４：ビームスプリッタ
１０５、１０６：フォトダイオード
１０７：ダブルバランストミキサ
１０８：ロックイン増幅器
１０９：ＲＦ周波数信号

Claims (4)

1. 信号光を生成する第１光源と、
   参照光を生成する第２光源と、
   前記参照光と、測定対象によって反射された後の前記信号光とが入射され、電気信号であるビート信号を出力する第１光検出器と、
   電気信号である参照信号を生成する信号生成器と、
   前記ビート信号と前記参照信号とから前記測定対象の距離を算出する距離算出手段
   とを具備し、
   前記信号光と前記参照光とは、いずれも光周波数コムとして生成されており、
   前記信号光と前記参照光のそれぞれの繰り返し周波数は、一方の繰り返し周波数が他方の繰り返し周波数の整数倍にならないように設定されており、
   前記距離算出手段は、
   変調信号を生成する変調信号生成器と、
   前記変調信号を前記ビート信号で変調してヘテロダイン信号を生成するミキサと、
   前記ヘテロダイン信号と前記参照信号との位相差を検出する位相差検出器と、
   検出された前記位相差から前記測定対象の距離を算出する演算部
   とを備えている
   光ヘテロダイン距離計。
2. 信号光を生成する第１光源と、
   参照光を生成する第２光源と、
   前記参照光と、測定対象によって反射された後の前記信号光とが入射され、電気信号であるビート信号を出力する第１光検出器と、
   前記測定対象によって反射される前の前記信号光の一部と前記参照光の一部とが入射され、電気信号である参照ビート信号を出力する第２光検出器と、
   フィルタと、
   電気信号である参照信号を生成する信号生成器と、
   前記ビート信号と前記参照信号とから前記測定対象の距離を算出する距離算出手段
   とを具備し、
   前記信号光と前記参照光とは、いずれも光周波数コムとして生成されており、
   前記信号光と前記参照光のそれぞれの繰り返し周波数は、一方の繰り返し周波数が他方の繰り返し周波数の整数倍にならないように設定されており、
   前記フィルタは、前記参照ビート信号から前記信号光の特定の周波数成分と前記参照光の特定の周波数成分の周波数差に対応する周波数成分を取り出して参照同期信号を生成し、
   前記信号生成器は、前記参照同期信号に同期して前記参照信号を生成し、
   前記距離算出手段は、
   変調信号を生成する変調信号生成器と、
   前記変調信号を前記ビート信号で変調してヘテロダイン信号を生成するミキサと、
   前記ヘテロダイン信号と前記参照信号との位相差を検出する位相差検出器と、
   検出された前記位相差から前記測定対象の距離を算出する演算部
   とを備え、
   前記変調信号生成器は、前記参照同期信号に同期して前記変調信号を生成する
   光ヘテロダイン距離計。
3. 請求項１又は２に記載の光ヘテロダイン距離計であって、
   前記位相差は、前記ビート信号の、互いに周波数が異なる第１乃至第Ｎ周波数成分（Ｎは２以上の整数）について算出され、
   前記第１乃至第Ｎ周波数成分のうちの第ｉ周波数成分（ｉは１以上Ｎ以下の任意の整数）について前記位相差が検出される場合、前記参照信号は、前記第ｉ周波数成分に対応する周波数の周波数成分を含むように生成され、
   前記演算部は、前記第１乃至第Ｎ周波数成分について算出された前記位相差から前記測定対象の距離を算出する
   光ヘテロダイン距離計。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光ヘテロダイン距離計であって、
   前記信号光と前記参照光とが、相互にコヒーレントであるように生成される
   光ヘテロダイン距離計。

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