JP7284652B2 - 測定装置および測定方法 - Google Patents
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Description
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および計測対象物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、検出部160と、表示部170を備える。
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のレーザ共振器は、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とを含むレーザ共振器を有する。
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および計測対象物10の間の距離dを測定する。ここで、参照光およ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、戻ってきた反射光の周波数は、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。
図7は、本実施形態に係る検出部160のアンダーサンプリングの概略の一例を示す。図7の上側の図は、第1周波数を用いてサンプリングすることで検出可能な、0からνcまでの観測すべき周波数帯域を示す。ここで、0からνcまでの周波数帯域を第1周波数帯域とする。また、サンプリング周波数fsによるアンダーサンプリングの観測帯域を0からfsとする。ここで、0からfsまでの周波数帯域を第2周波数帯域とする。なお、fs<νcである。図7は、第1周波数帯域を第2周波数帯域の帯域幅fsで複数に分割した例を示す。図7は、複数の帯域を、低周波側から帯域1、帯域2、・・・とした。また、帯域3に含まれる周波数Fにビート信号が存在する例を示す。
図10は、本実施形態に係る測定装置100の動作フローの一例を示す。測定装置100は、図10のS1010からS1060の動作を実行することにより、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離dを測定する。
以上の本実施形態に係る測定装置100において、ビート信号をレーザ共振器の共振周波数に対応する第2周波数でサンプリングして、第2サンプリングデータを生成する例を説明した。ここで、レーザ装置110は、共振器内に共振器長を調整する構成を更に有し、第2周波数を調節可能としてもよい。このようなレーザ装置110について次に説明する。
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 光電変換部
160 検出部
162 第1フィルタ部
164 第2フィルタ部
170 表示部
202 第1AD変換部
204 第2AD変換部
210 クロック信号供給部
220 周波数解析部
240 光遅延部
Claims (10)
- 周波数シフタと増幅媒体とを含む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と、
前記レーザ装置が出力する前記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、
前記ビート信号を第1周波数でサンプリングして生成した第1サンプリングデータと、前記ビート信号を前記レーザ共振器の共振周波数を正の整数で割った第2周波数でサンプリングして生成した第2サンプリングデータとを周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と、
を備え、
前記第1周波数は、前記レーザ共振器の共振周波数と等しい周波数か、または、前記レーザ共振器の共振周波数の2倍以上の周波数であり、
前記検出部は、
前記第1サンプリングデータを周波数解析して、前記第1周波数を用いて検出可能な第1周波数帯域を帯域幅f s の複数の帯域に分割して分割した帯域を小さい方から順番に帯域m(mは1以上の整数)とした場合に、分割した複数の帯域のうち前記ビート信号が発生したと判定した帯域を帯域n(nは1以上の整数)とし、
前記第2サンプリングデータを周波数解析して、前記帯域幅f s における前記ビート信号が発生した周波数f’を特定し、
前記ビート信号の周波数を(n-1)・f s +f’と算出し、算出した前記ビート信号の周波数に対応する、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する、
測定装置。 - 前記ビート信号発生部は、前記反射光および前記参照光を直交検波する、請求項1に記載の測定装置。
- 前記検出部は、前記第1周波数を用いて検出可能な第1周波数帯域を、前記第2周波数を用いて検出する第2周波数帯域幅の複数の帯域に分割し、前記ビート信号が、分割した複数の帯域のうちいずれの帯域に発生した信号成分であるのかを判定する、請求項1または2に記載の測定装置。
- 前記検出部は、前記第1サンプリングデータを周波数解析した周波数分解能よりも前記第2サンプリングデータを周波数解析した周波数分解能が高くなるように、前記ビート信号を前記第1周波数および前記第2周波数を用いてそれぞれ異なるサンプリング時間でサンプリングする、請求項1から3のいずれか一項に記載の測定装置。
- 前記検出部は、前記第1サンプリングデータと比較してより少ないデータ数の前記第2サンプリングデータを用いて周波数解析する、請求項1から4のいずれか一項に記載の測定装置。
- 前記レーザ装置は、前記レーザ共振器内に遅延量可変型の光遅延部を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の測定装置。
- 前記検出部は、前記第2サンプリングデータの周波数解析において、1つの線スペクトルの線幅が閾値を超えたことに応じて、遅延量を調整するための制御信号を前記光遅延部に送信する、請求項6に記載の測定装置。
- 周波数シフタと増幅媒体とを含むレーザ共振器を有するレーザ装置から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、
前記ビート信号を前記レーザ共振器の共振周波数と等しい周波数か、または、前記レーザ共振器の共振周波数の2倍以上の周波数の第1周波数でサンプリングして、第1サンプリングデータを生成するステップと、
前記ビート信号を前記レーザ共振器の共振周波数を正の整数で割った第2周波数でサンプリングして、第2サンプリングデータを生成するステップと、
前記第1サンプリングデータおよび前記第2サンプリングデータの周波数解析結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと、
を備え、
前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップは、
前記第1サンプリングデータを周波数解析して、前記第1周波数を用いて検出可能な第1周波数帯域を帯域幅f s の複数の帯域に分割して分割した帯域を小さい方から順番に帯域m(mは1以上の整数)とした場合に、分割した複数の帯域のうち前記ビート信号が発生したと判定した帯域を帯域n(nは1以上の整数)とするステップと、
前記第2サンプリングデータを周波数解析して、前記帯域幅f s における前記ビート信号が発生した周波数f’を特定するステップと、
前記ビート信号の周波数を(n-1)・f s +f’と算出し、算出した前記ビート信号の周波数に対応する、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
を有する、
測定方法。 - 判定した帯域を帯域nとするステップにおいて、前記第1サンプリングデータに基づき、前記第1周波数を用いて検出可能な第1周波数帯域を、前記第2周波数を用いて検出する第2周波数帯域幅の複数の帯域に分割し、前記ビート信号が分割した複数の帯域のうちいずれの帯域に発生した信号成分であるのかを判定する、請求項8に記載の測定方法。
- 前記レーザ装置は、前記レーザ共振器内に遅延量可変型の光遅延部を含み、
前記測定方法は、前記レーザ共振器の共振周波数および前記第2周波数が予め定められた関係となるように、前記光遅延部の遅延量を調整するステップをさらに備える、請求項8または9に記載の測定方法。
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