JP7329376B2 - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置およ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および非特許文献１を参照）。

特許第３５８３９０６号明細書

原武文，「ＦＳＬ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、設計およ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。このような測定精度の低下を防止すべく、従来、周波数シフト帰還レーザを恒温槽内に設置して環境変動を低減させること、周波数シフト帰還レーザの出力をモニタして共振器長の変動を観測すること等が考えられていた。しかしながら、共振器長の変動の観測結果を距離測定に用いると、共振器長の観測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。

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、コストの増加を抑制しつつ、高精度に距離測定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、計測対象物までの距離を測定する測定装置であって、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サンプリングレートでデジタル信号に変換してから、前記デジタル信号を周波数解析する変換部と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光に重畳されている、前記レーザ共振器の共振器周波数に応じた信号成分を抽出する抽出部と、抽出された前記信号成分を第２サンプリングレートでデジタルフィルタリングするデジタルフィルタと、前記ビート信号を周波数解析した結果と、デジタルフィルタリングされた前記信号成分とに基づき、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。

前記デジタルフィルタは、前記第１サンプリングレートよりも遅い前記第２サンプリングレートでデジタルフィルタリングしてもよい。前記分岐部は、前記周波数変調レーザ光を前記参照光、前記測定光、およびモニタ光に分岐し、前記抽出部は、前記モニタ光を電気信号に変換する光電変換部を有し、前記光電変換部が変換した電気信号から前記レーザ共振器の共振器周波数に応じた前記信号成分を抽出してもよい。

前記抽出部は、前記光電変換部が変換した電気信号のうち前記レーザ共振器の共振器周波数を有する前記信号成分を通過させるフィルタ部と、前記フィルタ部を通過した前記信号成分を周波数解析して前記レーザ共振器の共振器周波数を出力する共振器周波数出力部とを更に有してもよい。

前記算出部は、デジタルフィルタリングされた前記信号成分の単位時間当たりの変化率を算出する変化率算出部と、単位時間当たりの前記変化率に基づき、前記測定装置による測定の安定性を判定する判定部とを更に備えてもよい。

前記判定部は、更に、算出された前記変化率の値が第１閾値以上、かつ、第２閾値以下となったことに応じて、前記測定装置が安定であると判定してもよい。

本発明の第２の態様においては、計測対象物までの距離を測定する測定方法であって、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、前記デジタル信号を周波数解析するステップと、前記周波数変調レーザ光に重畳されている、前記レーザ共振器の共振器周波数に応じた信号成分を抽出するステップと、前記信号成分を第２サンプリングレートでデジタルフィルタリングするステップと、前記ビート信号を周波数解析した結果と、デジタルフィルタリングされた前記信号成分とに基づき、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。

デジタルフィルタリングされた前記信号成分の単位時間当たりの変化率を算出するステップと、単位時間当たりの前記変化率に基づき、測定の安定性を判定するステップとを更に備えてもよい。

本発明によれば、光学式距離計において、コストの増加を抑制しつつ、高精度に距離測定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および計測対象物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および変換部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および変換部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１７０が出力する共振器周波数ν_Ｃの一例を示す。 本実施形態に係るデジタルフィルタ３１０がフィルタリングして出力する共振器周波数ν_Ｃの一例を示す。 本実施形態に係る測定装置３００の変形例を計測対象物１０と共に示す。

［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、変換部１６０と、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、およ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および計測対象物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、反射光およ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、参照光およ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。

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応じた信号成分を抽出する。例えば、抽出部１７０は、モニタ光に基づき、レーザ装置１１０の共振器長に対応する共振器周波数を抽出する。ここで、共振器周波数をν_Ｃとする。

算出部１８０は、変換部１６０の検出結果および抽出部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および共振器周波数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および計測対象物１０の間の距離ｄを測定可能とする。即ち、測定装置１００は、非接触およ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。

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が出力するレーザ光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、このような反射光およ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）式および（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および計測対象物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、反射光およ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およびイメージ信号は、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および変換部１６０について、次に説明する。

図５は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および変換部１６０の構成例を示す。ビート信号発生部１５０は、反射光およ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、入力する反射光およ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および第２光電変換部１５６は、合波した反射光およ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および第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および第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、および周波数解析部２２０を有する。

第１フィルタ部１６２および第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および第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および第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および第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および第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および第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ビート信号および第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ビート信号および第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。

図６は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および変換部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信号およびＱ信号のいずれか一方の周波数スペクトルを示す。Ｉ信号および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信号および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）およびイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）が観測される。この場合、Ｉ信号および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）およ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信号および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信号および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）の周波数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、および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および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、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。このような抽出部１７０について次に説明する。

図７は、本実施形態に係る抽出部１７０の構成例を示す。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応じた信号成分を抽出する。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４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、およ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、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）および共振器周波数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、または、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、以上の測定装置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、およ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、共振器長の変動の観測結果を距離測定に用いると、共振器長の観測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、距離測定ばらつきをΔｄ、ビート信号の測定ばらつきをΔν_Ｂ、共振器周波数の測定ばらつきをΔν_Ｃをとすると、距離測定ばらつきΔｄは、次式のように示される。

（数７）式のように、共振器周波数の測定結果を用いることにより、距離測定ばらつきΔｄは、共振器周波数の測定ばらつきΔν_Ｃを含む項の分だけ増加することがわかる。そこで、本実施形態に係る測定装置は、このような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、デジタルフィルタ３１０と第２クロック信号供給部３２０を更に備える。

デジタルフィルタ３１０は、抽出部１７０によって抽出された信号成分をデジタルフィルタリングする。デジタルフィルタ３１０は、抽出部１７０がモニタ光から抽出した共振器周波数ν_Ｃをフィルタリングして、共振器周波数ν_Ｃの測定ばらつきΔν_Ｃを低減させる。デジタルフィルタ３１０は、例えば、カルマンフィルタ、ガウシアンフィルタ、移動平均フィルタ等である。また、デジタルフィルタ３１０は、間引きフィルタ、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、および／またはバンドリジェクションフィルタ等を更に有してもよい。

第２クロック信号供給部３２０は、デジタルフィルタ３１０に第２クロック信号を供給する。また、第２クロック信号供給部３２０は、抽出部１７０に第２クロック信号を供給してもよい。第２クロック信号のクロック周波数は、例えば、第１クロック信号のクロック周波数と略同一の周波数である。これに代えて、第２クロック信号のクロック周波数は、第１クロック信号のクロック周波数よりも低い周波数であってもよい。

抽出部１７０による共振器周波数ν_Ｃの抽出とデジタルフィルタ３１０によるフィルタリング処理は、環境温度等に起因する共振器周波数ν_Ｃの変動を測定するためのものであるから、これらの処理動作に用いるクロック周波数は比較的低い周波数でもよい。例えば、抽出部１７０およびデジタルフィルタ３１０が用いる第２クロック信号は、参照光と測定光との伝搬距離の差を測定するためのビート信号の測定に用いる第１クロック信号のクロック周波数よりも低いクロック周波数でよい。

そこで、第２クロック信号供給部３２０は、第１クロック信号よりもクロック周波数が低い第２クロック信号をデジタルフィルタ３１０に供給する。これにより、デジタルフィルタ３１０は、抽出部１７０によって抽出された信号成分を第１サンプリングレートよりも遅い第２サンプリングレートでデジタルフィルタリングする。また、第３ＡＤ変換器１７６も、第２クロック信号供給部３２０から第２クロック信号を受け取って、第２サンプリングレートで入力するアナログ信号をデジタル信号に変換してよい。

図９は、本実施形態に係る抽出部１７０が出力する共振器周波数ν_Ｃの一例を示す。図９の横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示す。抽出部１７０が出力する共振器周波数ν_Ｃは、一例として、共振器周波数ν_Ｃの測定ばらつきΔν_Ｃと、環境温度等に起因する当該測定ばらつきΔν_Ｃよりも時間的に緩やかな変動とが重畳された信号波形となる。

図１０は、本実施形態に係るデジタルフィルタ３１０がフィルタリングして出力する共振器周波数ν_Ｃの一例を示す。図１０は、図９と同様に、横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示す。図１０に示すように、デジタルフィルタ３１０は、信号波形に重畳された測定ばらつきΔν_Ｃを低減させた共振器周波数ν_Ｃを出力できる。このようなデジタルフィルタ３１０のフィルタリング処理は、特別な装置等を設けることなく、既知のアルゴリズム等で実現可能である。また、デジタルフィルタ３１０の動作は、変換部１６０の動作よりも遅くすることができるので、コストが低く、低消費電力の簡便な構成により、このようなデジタルフィルタを構成できる。

そして、算出部１８０は、ビート信号を周波数解析した結果と、デジタルフィルタリングされた信号成分とに基づき、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、以上のように検出されたν_Ｂ（ｍ，ｄ）および共振器周波数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。以上のように、測定装置３００は、デジタルフィルタ３１０によって測定ばらつきΔν_Ｃを低減させた共振器周波数ν_Ｃを用いるので、コストの増加を抑制しつつ、高精度に計測対象物１０までの距離ｄを測定することができる。

以上の算出部１８０は、図１０に示すように、観測ばらつきΔν_Ｃを低減させた共振器周波数ν_Ｃの時間的な変動波形をデジタルフィルタ３１０から取得できる。したがって、算出部１８０は、測定装置３００の起動直後、環境温度の急激な変化、電源の瞬時電圧低下、電源の短時間の供給停止（瞬停、瞬断）等によって、共振器周波数ν_Ｃが大きく変動する現象を観測することもできる。

算出部１８０は、上述のように、このような共振器周波数ν_Ｃの変動を加味して計測対象物１０までの距離ｄを算出してもよいが、このように環境変動が急激に変動する状態においては、精密測定を避けてもよい。そこで、算出部１８０は、共振器周波数ν_Ｃの変動に基づき、測定装置３００による測定の安定性を判定し、判定結果に応じて測定をするか否かを制御してもよい。このような算出部１８０が設けられている測定装置３００について、次に説明する。

［測定装置３００の変形例］
図１１は、本実施形態に係る測定装置３００の変形例を計測対象物１０と共に示す。図１１に示す測定装置３００において、図８に示された本実施形態に係る測定装置３００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。変形例の測定装置３００は、算出部１８０が変化率算出部３３０、判定部３４０、および出力制御部３５０を更に備える。

変化率算出部３３０は、デジタルフィルタリングされた信号成分の単位時間当たりの変化率を算出する。変化率算出部３３０は、例えば、デジタルフィルタ３１０から予め定められた数の共振器周波数ν_Ｃの信号値を取得したことに応じて、単位時間当たりの変化率を算出する。また、変化率算出部３３０は、単位時間当たりの変化率を、一定時間ごとに算出してもよい。

判定部３４０は、単位時間当たりの変化率に基づき、測定装置３００による測定の安定性を判定する。判定部３４０は、例えば、測定装置３００による測定結果が安定となる変化率の範囲を予め記憶する。そして、判定部３４０は、変化率算出部３３０の変化率の算出結果が記憶した変化率の範囲内であることに応じて、測定装置３００が安定に測定可能であると判定する。この場合、判定部３４０は、算出した変化率の値が第１閾値以上、かつ、第２閾値以下となったことに応じて、測定装置３００が安定であると判定する。

出力制御部３５０は、測定装置３００が安定に測定可能である場合、距離ｄの算出結果を表示部１９０に供給する。また、出力制御部３５０は、測定装置３００が安定に測定可能ではない場合、距離ｄの算出結果を表示部１９０に供給しない。これにより、表示部１９０は、測定装置３００が距離ｄを安定に測定した結果だけを出力することができる。これにより、測定装置３００のユーザ等は、測定装置３００の安定な動作環境において当該測定装置３００が測定した測定結果だけを利用することができる。

これに代えて、出力制御部３５０は、測定装置３００が安定に測定可能ではない場合、距離ｄの算出結果を表示部１９０に供給すると共に、不安定な測定環境であったことを表示部１９０に通知する。この場合、表示部１９０は、例えば、「参考値」、「測定環境が変動中」等の表示と共に、距離ｄの算出結果を表示する。これにより、測定装置３００のユーザ等は、測定装置３００が安定な環境において測定したか否かを容易に知ることができ、測定結果を有効に利用することができる。

以上の本実施形態に係る測定装置３００は、第２クロック信号供給部３２０を備え、第２クロック信号をデジタルフィルタ３１０に供給する例を説明したが、これに限定されることはない。例えば、第１クロック信号供給部２１０が第１クロック信号をデジタルフィルタ３１０に供給してもよい。この場合、デジタルフィルタ３１０は、変換回路、フィルタ等を有し、第１クロック信号をより低い周波数に変換したクロック信号を用いて、フィルタリングすることが望ましい。また、第１クロック信号供給部２１０は、第１クロック信号を抽出部１７０に供給してもよく、この場合、第２クロック信号供給部３２０は無くてもよい。

なお、以上の本実施形態に係る測定装置１００および測定装置３００に設けられている変換部１６０、抽出部１７０、および算出部１８０の少なくとも一部は、集積回路等で構成されていることが望ましい。変換部１６０、抽出部１７０、および算出部１８０の少なくとも一部は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および／またはＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。

変換部１６０、抽出部１７０、および算出部１８０の少なくとも一部をコンピュータ等で構成する場合、これらの部位は、記憶部および制御部を含む。記憶部は、一例として、変換部１６０、抽出部１７０、および算出部１８０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）、および作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。また、記憶部は、ＯＳ（Operating System）、プログラム、アプリケーション、および／または種々の情報等を格納してよい。記憶部は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）および／またはＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置を含んでよい。

制御部は、ＣＰＵ等のプロセッサであり、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変換部１６０、抽出部１７０、および算出部１８０の少なくとも一部として機能する。制御部は、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
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 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
２０２ 第１ＡＤ変換器
２０４ 第２ＡＤ変換器
２１０ 第１クロック信号供給部
２２０ 周波数解析部
３００ 測定装置
３１０ デジタルフィルタ
３２０ 第２クロック信号供給部
３３０ 変化率算出部
３４０ 判定部
３５０ 出力制御部

Claims (8)

1. 計測対象物までの距離を測定する測定装置であって、
   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サンプリングレートでデジタル信号に変換してから、前記デジタル信号を周波数解析する変換部と、
   前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光に重畳されている、前記レーザ共振器の共振器周波数を抽出し、抽出した共振器周波数に対応する信号成分を出力する抽出部と、
   抽出された前記信号成分を第２サンプリングレートでデジタルフィルタリングするデジタルフィルタと、
   前記ビート信号を周波数解析した結果と、デジタルフィルタリングされた前記信号成分とに基づき、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. 前記デジタルフィルタは、前記第１サンプリングレートよりも遅い前記第２サンプリングレートでデジタルフィルタリングする、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記分岐部は、前記周波数変調レーザ光を前記参照光、前記測定光、およびモニタ光に分岐し、
   前記抽出部は、
   前記モニタ光を電気信号に変換する光電変換部を有し、
   前記光電変換部が変換した電気信号から前記レーザ共振器の共振器周波数に応じた前記信号成分を抽出する、
   請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記抽出部は、
   前記光電変換部が変換した電気信号のうち前記レーザ共振器の共振器周波数を有する前記信号成分を通過させるフィルタ部と、
   前記フィルタ部を通過した前記信号成分を周波数解析して前記レーザ共振器の共振器周波数を出力する共振器周波数出力部と
   を更に有する、請求項３に記載の測定装置。
5. 前記算出部は、
   デジタルフィルタリングされた前記信号成分の単位時間当たりの変化率を算出する変化率算出部と、
   単位時間当たりの前記変化率に基づき、前記測定装置による測定の安定性を判定する判定部と
   を更に備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記判定部は、更に、算出された前記変化率の値が第１閾値以上、かつ、第２閾値以下となったことに応じて、前記測定装置が安定であると判定する、請求項５に記載の測定装置。
7. 計測対象物までの距離を測定する測定方法であって、
   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、前記デジタル信号を周波数解析するステップと、
   前記周波数変調レーザ光に重畳されている、前記レーザ共振器の共振器周波数を抽出し、抽出した共振器周波数に対応する信号成分を出力するステップと、
   前記信号成分を第２サンプリングレートでデジタルフィルタリングするステップと、
   前記ビート信号を周波数解析した結果と、デジタルフィルタリングされた前記信号成分とに基づき、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。
8. デジタルフィルタリングされた前記信号成分の単位時間当たりの変化率を算出するステップと、
   単位時間当たりの前記変化率に基づき、測定の安定性を判定するステップと
   を更に備える、請求項７に記載の測定方法。

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