WO2014045655A1 - 距離計測方法および装置 - Google Patents

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達雄 針山
啓晃 笠井
渡辺　正浩
吉村　和士
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a distance measuring method and a distance measuring device.
  • the distance measuring device of Patent Document 1 uses a femtosecond mode-locked pulse laser device.
  • the multistage optical amplifying device of Patent Document 2 effectively removes spontaneously emitted light from the output light of each optical amplifier by driving the optical switch in synchronization with the timing of the signal light pulse, and gain for the signal light pulse. And a multi-stage optical amplifier capable of improving the SN ratio.
  • JP 2006-184181 A Japanese Patent Laid-Open No. 2-5912
  • the distance measuring device of Patent Document 1 is assumed to be a reflective prism, retroreflective plate, or bright natural object surface as a measurement target, and is like a medium-sized product (turbine, railway vehicle, escalator, automobile, airplane, etc.) If the reflected light is weak, such as a machined surface, the distance cannot be measured accurately.
  • an object of the present invention is to effectively remove spontaneously emitted light from the output light of an optical amplifier and improve the gain and SN with respect to a signal light pulse.
  • the present invention relates to a light source that generates pulsed light, an optical amplifier that amplifies the light generated from the light source and reflected from the measurement target, and the time during which the pulse passes through the amplified light.
  • a distance measuring device including an optical switch that selectively transmits light.
  • the present invention generates pulsed light, irradiates the measurement target with the generated light, amplifies the reflected light, and outputs the light at the time that the pulse passes among the amplified light.
  • a distance measuring method characterized by selectively transmitting through an optical switch and measuring the distance to a measurement object using information of the transmitted light.
  • spontaneous emission light can be effectively removed from the output light of the optical amplifier, and the gain and SN with respect to the signal light pulse can be improved.
  • FIG. 2 is an apparatus configuration diagram for driving an optical switch based on position information of a focus stage using the optical comb in the first embodiment as a light source.
  • FIG. 3 is an example of an optical switch in the first embodiment. It is a figure explaining the flow of the signal light pulse in a 1st Example. It is a device block diagram which changes the amplification factor of an optical amplifier based on the positional information on a focus stage, using the optical comb in a 2nd Example as a light source. It is an apparatus block diagram which drives an optical switch based on the phase information detected by a phase meter using the optical comb in the third embodiment as a light source.
  • FIG. 10 is an apparatus configuration diagram in which an optical comb in a fifth embodiment is used as a light source, optical beat down is performed by an optical waveguide intensity modulator, and an amplification factor of an optical amplifier is changed based on position information of a focus stage. It is an apparatus block diagram which optically beats down with an optical waveguide intensity modulator using the optical comb in the sixth embodiment as a light source, and turns on / off the optical switch based on the position information of the focus stage. It is an apparatus block diagram which turns on and off the high frequency signal input into an optical waveguide intensity
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a three-dimensional distance measuring device equipped with the distance measuring optical system mechanism described in the first to seventh embodiments. It is a whole figure of the three-dimensional distance measuring apparatus in an 8th Example. It is the conventional apparatus block diagram using an optical comb. It is explanatory drawing of the method of suppressing an ASE component with respect to the conventional method. It is explanatory drawing of the method of suppressing an ASE component with respect to the conventional method.
  • FIG. 15 shows a high-precision distance measuring device using a conventional optical comb.
  • the optical comb 101 is used as a light source.
  • the light is irradiated into the space by the fiber collimator 104, and a part of the beam is divided by the beam splitter 105, detected by the light receiver 1501, and used as a reference signal.
  • the main part of the beam is irradiated onto the measuring object 1505, the reflected light returns to the main body again, and is detected by the light receiver 1503 to become a probe signal.
  • a frequency component used for distance measurement is selected from a number of frequency components included in the probe signal by bandpass filters 1502 and 1504, and a phase difference from the reference signal is measured by a phase meter 118 to obtain distance information 119.
  • This device assumes a reflecting prism, retroreflective plate, or bright natural object surface as a measurement target, and is a machined surface such as medium-sized or large-sized products (turbine, railway vehicle, escalator, automobile, airplane, etc.)
  • a reflecting prism, retroreflective plate, or bright natural object surface as a measurement target
  • a machined surface such as medium-sized or large-sized products (turbine, railway vehicle, escalator, automobile, airplane, etc.)
  • FIG. 16 shows a conventional method for suppressing the ASE component.
  • the ASE component in FIG. 16B is generated with a wider frequency band than the frequency band of the light source in FIG. Therefore, the ASE component can be suppressed by using a filter that cuts frequency components other than the light source shown in FIG.
  • the other is a method of suppressing with polarized light.
  • the ASE component can be suppressed by passing the polarization component of the signal light whose polarization direction matches that of the polarizer and cutting the random polarization component of the ASE. .
  • FIG. 17 shows a method of suppressing by time. It is possible to suppress the ASE component by transmitting the signal light pulse amplified by the optical amplifier 1701 of FIG. 17A in accordance with the time when the pulse passes by the optical switch 1702 and blocking at other times. Become. A part of the signal light pulse input to the optical amplifier is extracted by a demultiplexer, and photoelectrically converted by a photodetector to be a timing signal, thereby matching the timing of driving the optical switch. By inputting the signal light pulse of FIG. 17B to the optical amplifier, output light in which spontaneous emission light is superimposed on the amplified signal light pulse as shown in FIG.
  • FIG. 17 shows a method of suppressing by time. It is possible to suppress the ASE component by transmitting the signal light pulse amplified by the optical amplifier 1701 of FIG. 17A in accordance with the time when the pulse passes by the optical switch 1702 and blocking at other times. Become. A part of the signal light pulse input to the optical amplifier is extracted by a demultiplexer, and
  • an optical switch having a characteristic of allowing transmission of the signal light pulse according to the passing time as shown in FIG. Unnecessary ASE components can be suppressed. However, in order to generate the timing signal, it is necessary to detect a part of the signal light pulse. However, when the signal light pulse is weak, there is a problem that the timing signal cannot be generated.
  • FIG. 1 is an example of a configuration diagram of a distance measuring device according to the present embodiment.
  • the optical comb irradiated from the optical comb generator 101 whose repetition frequency is controlled to be constant by the oscillator 102 is irradiated into the space by the fiber collimator 104 and enters the polarization beam splitter 105.
  • a part of the light is collected by the fiber collimator 110 and converted into an electric signal by the light receiver 111, and a main part passes through the ⁇ / 4 plate 106 and is focused on the measurement object 109 by the focus lens 107.
  • the reflected light from the object is collected again by the focus lens 107, passes through the ⁇ / 4 plate 106, reflected by the polarization beam splitter 105, collected by the fiber collimator 113, amplified by the optical amplifier 114, The light passes through the optical switch 115, is converted into an electric signal by the light receiver 116, and only the frequency component used for distance measurement is extracted by the filter 117 and input as a measurement signal of the phase meter 119. Only the frequency component used for distance measurement is extracted from the electrical signal output from the light receiver 111 by the filter 112 and input as a reference signal for the phase meter 118.
  • the phase meter 118 is a device that calculates the phase difference between two input signals.
  • the phase meter 118 calculates the phase of the measurement signal with respect to the reference signal, and the distance calculation circuit 119 calculates the distance from the phase information.
  • the timing at which the signal light pulse passes through the optical switch can be known.
  • the phase of the sine wave signal output from the oscillator 102 that controls the repetition frequency of the optical comb is phase-shifted by the phase shifter 120 in accordance with the timing at which the signal light pulse passes through the optical switch, and converted to a rectangular wave by the comparator 121.
  • a phase shifter may be omitted by determining the phase when the comparator 121 converts a sine wave into a rectangular wave using information on the focus stage.
  • a part of the light emitted from the optical comb instead of the oscillator 102 may be taken out by a fiber coupler and photoelectrically converted by a light receiver. In this case, since a pulse waveform is formed, the comparator is unnecessary.
  • Figure 2 shows an example of an optical switch.
  • a Mach-Zehnder type optical waveguide intensity modulator is shown, and can be used as an optical switch by inputting a rectangular wave as a modulated electric signal.
  • An example of the optical waveguide intensity modulator is an LN modulator.
  • a semiconductor laser type optical switch may be used.
  • Fig. 3 shows the flow of signal light pulses.
  • the light emitted from the optical comb 101 is a pulse train arranged at equal intervals.
  • Light scattered from the measurement object 109 and collected by the fiber collimator 113 becomes a weak signal.
  • the signal amplified by the optical amplifier includes an ASE (spontaneously emitted light) component in addition to the signal light pulse.
  • the phase of the sine wave signal of the oscillator 102 is shifted by the phase shifter 120, converted into a rectangular wave by the comparator 121, and input to the optical switch 115.
  • the optical switch 115 can be turned on and off at the timing when the signal light pulse passes through the optical switch, and the ASE component can be suppressed.
  • the optical switch 115 allows only the signal light pulse to pass through and suppresses the ASE component, thereby improving the gain and SN with respect to the signal light pulse.
  • the optical switch 115 allows only the signal light pulse to pass through and suppresses the ASE component, thereby improving the gain and SN with respect to the signal light pulse.
  • Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the optical amplifier has the characteristics of an optical switch.
  • the phase of the sine wave signal from the oscillator 102 is shifted by the phase shifter 120 in accordance with the timing when the signal light pulse passes through the optical amplifier 114 based on the position information of the focus stage 108.
  • the signal is converted into a rectangular wave signal by the comparator 121 and input to the current controller of the excitation laser of the optical amplifier.
  • the signal light pulse is amplified by increasing the pump laser current at the timing when the signal light pulse passes, and the pump laser current is decreased at other times and the signal light pulse is not amplified. It is possible to have both an amplification function and an optical switch function. According to the present embodiment, the optical switch shown in the first embodiment is not necessary, and the cost can be reduced.
  • Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the timing at which the signal light pulse passes through the optical switch by determining the approximate distance to the object based on the phase information detected by the phase meter 118.
  • the phase information that is, the position information of the signal light pulse buried in the noise.
  • the lock-in amplifier is a device for accurately obtaining the phase of two input signals.
  • the phase information is input to the phase shifter 120, and the phase of the sine wave signal output from the oscillator 102 that controls the repetition frequency of the optical comb is adjusted by the phase shifter 120 in accordance with the timing at which the signal light pulse passes through the optical switch.
  • the position information of the focus stage shown in the first embodiment is not necessary, and the information amount can be reduced.
  • Example 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b).
  • FIG. 6A is an example of a configuration diagram of the distance measuring apparatus of the present embodiment.
  • the optical comb irradiated from the optical comb generator 101 is irradiated into the space by the fiber collimator 104 and enters the polarization beam splitter 105.
  • a part of the light is collected by the fiber collimator 110, enters the optical waveguide intensity modulator 605, and a main part passes through the ⁇ / 4 plate 106 and is focused on the measurement object 109 by the focus lens 107.
  • the reflected light from the object passes through the ⁇ / 4 plate 106 again, is reflected by the polarization beam splitter 105, is condensed by the fiber collimator 113, is amplified by the optical amplifier 114, and enters the optical waveguide intensity modulator 606. .
  • the oscillator 603 generates a high-frequency modulation signal, is branched into two by the power divider 604, and is input to the optical waveguide intensity modulators 605 and 606, respectively.
  • the light that has passed through the optical waveguide intensity modulator 605 is converted into an electrical signal by the light receiver 111, and only the frequency component used for distance measurement is extracted by the filter 112 and input as a reference signal for the phase meter 118.
  • the light that has passed through the optical waveguide intensity modulator 606 is converted into an electric signal by the light receiver 116, and only the frequency component used for distance measurement is extracted by the filter 117 and input as a measurement signal of the phase meter 118.
  • the phase is calculated by the phase meter 118 and the distance is calculated by the distance calculation circuit 119.
  • the reference signal 601 is branched by the power divider 602 and used to synchronize the oscillations of the oscillator 603 and the oscillator 102.
  • Fig. 6 (b) shows the principle of optical beat-down of an optical comb using an optical waveguide intensity modulator.
  • the repetition frequency of the optical comb is 10.0001 MHz
  • the spectrum exists at intervals of 10.0001 MHz on the frequency.
  • the frequency interval of a spectrum 10000 lines away from a certain spectrum is 100.001 GHz.
  • this beat signal is used for distance measurement. For example, let us consider a case where frequency modulation is performed on a signal light pulse by an optical waveguide intensity modulator 605 or 606 using a high-frequency modulation signal from an oscillator 603, and optical beat down is performed using a primary sideband component.
  • a frequency of 1 MHz is obtained from the difference between the ⁇ 1st order frequency (11.0001 GHz) of the frequency of the spectrum separated by 10,000 (100.0110001 GHz) and the frequency of the first spectrum (10.0001 GHz). Ingredients can be generated.
  • the filter 117 By extracting only 1 MHz used for distance measurement by the filter 117, it is possible to beat down to 1 MHz and detect it by the light receiver 116.
  • the oscillation frequency of the oscillator 603 is given as the oscillation frequency of the oscillator 603, and the second order frequency (11.0001 GHz) of the spectrum frequency (100.0110001 GHz) separated by 10,000 is A frequency component of 1 MHz can be generated from the difference in the frequency (10.0001 GHz) of the main spectrum.
  • the oscillation frequency of the oscillator is given as 100 / n GHz, and the ⁇ n-order frequency (11.0001) of the spectrum frequency (100.0110001 GHz) separated by 10,000 lines.
  • 1 GHz frequency component can be generated from the difference between the frequency of the first spectrum and the frequency of the first spectrum (10.0001 GHz).
  • the filter 117 By extracting only 1 MHz used for distance measurement by the filter 117, it is possible to beat down to 1 MHz and detect it by the light receiver 116. Further, if the optical beat down can be performed using higher-order sideband components, the oscillation frequency of the oscillator can be suppressed to a low frequency.
  • the timing at which the signal light pulse passes through the optical waveguide intensity modulator by determining the approximate distance to the object from the position information of the focus stage 108 on which the focus lens 107 is mounted.
  • the phase of the sine wave signal output from the oscillator 102 that controls the repetition frequency of the optical comb is adjusted by the phase shifter 120 in accordance with the timing at which the signal light pulse passes through the optical waveguide intensity modulator, and converted into a rectangular wave by the comparator 121,
  • the signal 606 is input to the switch 607, and the high-frequency signal from the oscillator 603 is switched between transmission and cutoff so that only the signal light pulse is transmitted and beat-down, and the ASE component is suppressed to reduce the gain and SN of the signal light pulse. Can be improved.
  • FIG. 7 illustrates a method for transmitting only an optical signal pulse and optically beating down using an optical amplifier.
  • the operating point of the optical waveguide modulator is set to a bias voltage position where interference light cancels out.
  • the light intensity changes around the operating point, and modulated light having a frequency twice that of the given modulation signal is generated.
  • optical modulation for optical beat-down occurs, and when no modulation signal is given, it functions as an optical switch that blocks light.
  • Fig. 7 (b) shows the operation.
  • the signal light pulse By inputting a signal light pulse containing an ASE component and inputting a high-frequency electrical signal generated in synchronization with the signal light pulse, the signal light pulse can be transmitted and beat down to suppress the ASE component. .
  • Fig. 8 shows the flow of signal light pulses.
  • the light emitted from the optical comb becomes a pulse train arranged at equal intervals.
  • Light scattered from the measurement target and collected by the fiber collimator 113 becomes a weak signal.
  • the signal amplified by the optical amplifier includes an ASE (spontaneously emitted light) component in addition to the signal light pulse.
  • the phase of the sine wave signal of the oscillator 102 is shifted by the phase shifter 120, and a switch is made for a high-frequency electrical signal output from the oscillator 603 at the timing when the signal light pulse passes through the optical waveguide intensity modulator.
  • the ASE component can be suppressed by turning on and off and inputting to the optical waveguide intensity modulator 606.
  • FIG. 9 explains a new effect of suppressing the back surface reflection component.
  • the measurement light irradiated from the fiber collimator 104 passes through the wave plate 106 and the focus lens 107 and is irradiated to the measurement object 109.
  • back reflection components from the wave plate 106 and the focus lens 107 are detected. Since the reflected light from the object to be measured is weak light, a slight amount of back surface reflection component may cause an error in phase measurement.
  • the back surface reflection component generated at a short distance after irradiation is different in timing from the signal light pulse and can be blocked. It is.
  • the back reflection component can be suppressed and the phase of the weak signal light can be accurately obtained.
  • This effect can also be obtained in the configurations of other embodiments. According to the present embodiment, it is possible to detect a phase of a signal having a higher frequency than that of the first embodiment, and it is possible to perform distance measurement with high accuracy.
  • Example 5 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the optical amplifier has the characteristics of an optical switch.
  • the phase of the sine wave signal from the oscillator 102 is shifted by the phase shifter 120 in accordance with the timing at which the signal light pulse passes through the optical amplifier 114 based on the position information of the focus stage 108.
  • the signal is converted into a rectangular wave signal by the comparator 121 and input to the current controller of the excitation laser of the optical amplifier 114.
  • Amplification is performed by increasing the pumping laser current at the timing when the signal light pulse passes, and by reducing the pumping laser current at other times and not amplifying it, both the optical amplification function and the optical switch function are achieved. It becomes possible to have a function. According to the present embodiment, it is possible to detect a phase of a signal having a higher frequency than that of the first embodiment, and it is possible to perform distance measurement with high accuracy. Further, the switch 607 is not required for the fourth embodiment, and the cost can be reduced.
  • Example 6 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • an optical switch 1101 is newly added.
  • the phase of the sine wave signal from the oscillator 102 is shifted by the phase shifter 120 in accordance with the timing at which the signal light pulse passes through the optical amplifier 114 based on the position information of the focus stage 108.
  • the signal is converted into a rectangular wave signal by the comparator 121, and only the signal light pulse is transmitted by turning on and off the optical switch at the timing when the signal light pulse passes to suppress the ASE component, and the gain and SN for the signal light pulse are reduced. It becomes possible to improve.
  • Example 7 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • phase information that is, the position information of the signal light pulse buried in the noise.
  • the phase information is input to the phase shifter 120, and the phase of the sine wave signal output from the oscillator 102 that controls the repetition frequency of the optical comb is adjusted by the phase shifter 120 to the timing at which the signal light pulse passes through the optical waveguide intensity modulator.
  • the ASE component can be suppressed by converting it into a rectangular wave by the comparator 121, turning on and off the switch for the high-frequency electric signal output from the oscillator 603, and inputting it to the optical waveguide intensity modulator 606.
  • the present embodiment it is possible to detect a phase of a signal having a higher frequency than that of the first embodiment, and it is possible to perform distance measurement with high accuracy. Further, the position information of the focus stage becomes unnecessary, and the amount of information can be reduced.
  • Example 8 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • FIG. 13 is an example of an apparatus configuration diagram of this embodiment.
  • the light emitted from the focus lens 107 can be three-dimensionally scanned by the galvano scanner 1301, and three-dimensional shape measurement is possible.
  • the beam scanning means scanning by a polygon mirror or scanning means for rotating a shaft on which the mirror is mounted by a direct drive motor may be used.
  • FIG. 14 shows an overall view of the three-dimensional distance measuring apparatus. It includes a distance measurement unit 1403, a focus stage 108, and a galvano scanner 1301, a power supply unit 1402 for driving them, and a GUI unit 1403 for controlling the apparatus and displaying the distance measurement results.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • Power divider, 605 Light intensity modulator
  • 606 Light intensity modulator, 607 ... switch, 1101 ...
  • Optical switch, 1703 optical amplifier
  • 1704 optical switch, 1705 ... Drive device, 1706 ... drive device,

Abstract

　本発明は、光増幅器の出力光中より自然放出光を効果的に除去し，信号光パルスに対する利得およびSNを向上することを目的とする。　本発明は、パルス状の光を発生させる光源と、前記光源から発生し、測定対象から反射された光を増幅する光増幅器と、増幅された光のうちパルスが通過する時間における光を選択的に透過させる光スイッチとを備える距離計測装置を提供する。

Description

距離計測方法および装置
　本発明は、距離計測方法および距離計測装置に関する。
　特許文献１の距離計測装置は，フェムト秒モード同期パルスレーザ装置を用いている。
　特許文献２の多段光増幅装置は，信号光パルスのタイミングと同期させて光スイッチを駆動することにより，各光増幅器の出力光中より自然放出光を効果的に除去し，信号光パルスに対する利得及びSN比を向上し得る多段光増幅装置である。
特開２００６－１８４１８１号公報 特開平２－５９１２号公報
　特許文献１の距離計測装置は，測定対象として反射プリズム，再帰反射プレート，あるいは明るい自然物の面等が想定されており，中・大物製品（タービン，鉄道車両，エスカレータ，自動車，飛行機等）のような機械加工された面のように反射光が微弱である場合，正確に距離を計測できない。
　特許文献２の多段光増幅装置は，信号光パルスの通過するタイミングに光スイッチを駆動するタイミングを合せるため，信号光パルスの一部を分波器により取り出し光検出器により光電変換してタイミング信号を生成している。しかし，信号光パルスが微弱で位置を正確に求めることができない場合，信号光パルスにタイミングを取ることは困難である。
　本発明は，上記問題点を鑑み，光増幅器の出力光中より自然放出光を効果的に除去し，信号光パルスに対する利得およびSNを向上することを目的とする。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
　具体的には、本発明は、パルス状の光を発生させる光源と、前記光源から発生し、測定対象から反射された光を増幅する光増幅器と、増幅された光のうちパルスが通過する時間における光を選択的に透過させる光スイッチとを備える距離計測装置を提供する。
　また、他の観点における本発明は、パルス状の光を発生させ、発生した光を測定対象に照射して反射された光を増幅し、増幅された光のうちパルスが通過する時間における光を光スイッチによって選択的に透過させ、透過した光の情報を用いて測定対象までの距離を計測することを特徴とする距離計測方法を提供する。
　本発明によれば，光増幅器の出力光中より自然放出光を効果的に除去し，信号光パルスに対する利得およびSNを向上することができる。
第1の実施例における光コムを光源として，フォーカスステージの位置情報に基づき光スイッチを駆動する装置構成図である。 第1の実施例における光スイッチの一例図である。 第１の実施例における信号光パルスの流れを説明する図である。 第２の実施例における光コムを光源として，フォーカスステージの位置情報に基づき光増幅器の増幅率を変化させる装置構成図である。 第３の実施例における光コムを光源として，位相計にて検出される位相情報に基づき光スイッチを駆動する装置構成図である。 第４の実施例における光コムを光源として，光導波路強度変調器にて光ビートダウンし，さらにフォーカスステージの位置情報に基づき光導波路強度変調器に入力する高周波信号をスイッチによりオンオフする装置構成図である。 第４の実施例における光導波路強度変調器の動作図である。 第４の実施例における信号光パルスの流れを説明する図である。 第４の実施例における裏面反射成分を抑制する新たな効果を説明する図である。 第５の実施例における光コムを光源として，光導波路強度変調器にて光ビートダウンし，フォーカスステージの位置情報に基づき光増幅器の増幅率を変更する装置構成図である。 第６の実施例における光コムを光源として，光導波路強度変調器にて光ビートダウンし，フォーカスステージの位置情報に基づき光スイッチをオンオフする装置構成図である。 第７の実施例における光コムを光源として，位相計にて検出される位相情報に基づき光導波路強度変調器に入力する高周波信号をスイッチによりオンオフする装置構成図である。 第８の実施例における実施例1から7で述べた距離測定光学系機構を搭載した3次元距離測定装置構成図である。 第８の実施例における3次元距離測定装置の全体図である。 光コムを用いた従来の装置構成図である。 従来手法に対してASE成分を抑制する手法の説明図である。 従来手法に対してASE成分を抑制する手法の説明図である。
　以下、実施例を図面を用いて説明する。
　図１５に従来の光コムを用いた高精度距離計測装置を示す。光コム101を光源として用いる。ファイバコリメータ104によって空間中に照射され，ビームの一部は，ビームスプリッタ105で分けられ，受光器1501によって検出されて参照信号として用いられる。ビームの主要な部分は測定対象1505に照射され，反射光が再び本体に戻り，受光器1503によって光検出されてプローブ信号となる。プローブ信号に含まれる多数の周波数成分の中から，距離計測に用いる周波数成分をバンドパスフィルタ1502，1504によって選別し，参照信号との位相差を位相計118によって測定し，距離情報119を得る。本装置では測定対象として反射プリズム，再帰反射プレート，あるいは明るい自然物の面等が想定されており，中・大物製品（タービン，鉄道車両，エスカレータ，自動車，飛行機等）のような機械加工された面のように反射光が微弱である場合正確に距離を計測できない問題がある。
　微弱光を検出するための一例として光増幅器が用いられるが，ASE（自然放出光)が発生するため，増幅率（利得)に上限が生じてしまう。そこでASE成分を抑制する方法が取られる。図１６にASE成分を抑制する従来方法を示す。
　1つは周波数成分で抑制する方法である。図１６（a)の光源の周波数帯域に対して図１６（b)のASE成分は周波数帯域がより広く発生する。そこで図１６（c)に示す光源以外の周波数成分をカットするフィルタを用いることによってASE成分を抑制することができる。
　もう一つは偏光で抑制する方法である。図１６（d)の偏光子を用いることによって，偏光子と偏光方向が一致している信号光の偏光成分を通過させ，ASEのランダム偏光成分をカットすることによってASE成分を抑制することができる。
　さらに時間で抑制する方法がある。図１７に時間で抑制する方法について示す。図１７（a)の光増幅器1701により増幅された信号光パルスを光スイッチ1702によりパルスが通過する時間に合せて透過させ，それ以外の時間では遮断することによってASE成分を抑制することが可能となる。光増幅器に入力される信号光パルスの一部を分波器により取り出し，光検出器により光電変換してタイミング信号とすることによって光スイッチの駆動するタイミングを合せている。図１７（b)の信号光パルスを光増幅器に入力することによって，図１７（c)に示すような増幅された信号光パルスに自然放出光が重畳された出力光となる。ここで図１７（d)に示すように信号光パルスが通過する時間に合せて透過させ，それ以外の時間では遮断する特性をもつ光スイッチを用いることにより，図１７（e)に示すように不要なASE成分を抑制することが可能となる。しかしながら，タイミング信号を生成するためには信号光パルスの一部を検出する必要があるが，信号光パルスが微弱な場合，タイミング信号を生成することができない問題がある。
　上記図１５，図１７に示す距離計測装置および光増幅方法の問題点に鑑み，開発された実施例１における光コムおよび光増幅器を用いた距離計測方法について図1を用いて説明する。
　図１は，本実施例の距離計測装置の構成図の例である。発振器102により繰返し周波数を一定に制御された光コム発生器101から照射された光コムはファイバコリメータ104により空間中に照射され，偏光ビームスプリッタ105に入射する。一部はファイバコリメータ110で集光され，受光器111で電気信号に変換され，主要な部分はλ/4板106を通過し，フォーカスレンズ107によって測定対象109に集光される。対象物からの反射光は再び，フォーカスレンズ107によって集光され，λ/4板106を通過し，偏光ビームスプリッタ105により反射され，ファイバコリメータ113で集光されて，光増幅器114により増幅され，光スイッチ115を通過し，受光器116によって電気信号に変換され，フィルタ117によって距離測定に用いる周波数成分のみを抽出し，位相計119の測定信号として入力される。受光器111から出力される電気信号をフィルタ112によって距離測定に用いる周波数成分のみを抽出し，位相計118の参照信号として入力される。位相計118とは入力された２つの信号の位相差を求める装置であり，参照信号に対する測定信号の位相を算出し，距離演算回路119によって位相情報から距離を演算する。フォーカスレンズ107を搭載したフォーカスステージ108の位置情報から物体までのおおよその距離を判断することで，信号光パルスが光スイッチを通過するタイミングを知ることができる。光コムの繰返し周波数を制御する発振器102から出力される正弦波信号の位相をフェーズシフタ120により，信号光パルスが光スイッチを通過するタイミングに合わせて位相シフトさせ，コンパレータ121により矩形波に変換し，光スイッチ115に入力することにより，信号光パルスのみを透過させて，ASE成分を抑制し，信号光パルスに対する利得およびSNを向上することが可能となる。
　１構成例としてコンパレータ121にて正弦波を矩形波に変換する際の位相をフォーカスステージの情報を用いて決めることによってフェーズシフタを不要とする構成でもよい。
　また１構成例として発振器102の代わりに光コムから照射される光の一部をファイバカップラによって，分岐して取り出し，受光器によって光電変換することによって，生成してもよい。この場合，パルス波形が形成されるため，コンパレータが不要な構成となる。
　図2に光スイッチの一例を示す。マッハツェンダタイプの光導波路強度変調器を示しており，変調電気信号として矩形波を入力することで光スイッチとして用いることが可能である。光導波路強度変調器としては例えばLN変調器がある。また半導体レーザタイプの光スイッチを用いてもよい。
　図3に信号光パルスの流れを示す。光コム101から照射される光は等間隔に並んだパルス列となる。測定対象109から散乱しファイバコリメータ113によって集光される光は微弱信号となる。光増幅器によって増幅した後の信号には信号光パルス以外にASE（自然放出光)成分も含まれる。フォーカスステージ108の位置情報に基づき発振器102の正弦波信号の位相をフェーズシフタ120によりシフトし，コンパレータ121により矩形波に変換し，光スイッチ115に入力する。これにより、信号光パルスが光スイッチを通過するタイミングで光スイッチ115をオンオフすることができ，ASE成分を抑制可能となる。
　以上より、本実施例によれば、光スイッチ115により、信号光パルスのみを透過させてASE成分を抑制し，信号光パルスに対する利得およびSNを向上することが可能となる。また、フォーカスステージ108の位置情報から物体までのおおよその距離を判断することで、信号光パルスが光スイッチを通過するタイミングを知ることができ、信号光パルスが光スイッチを通過するタイミングに合わせて、ASE成分を抑制し，信号光パルスに対する利得およびSNを向上することが可能となる。
　本発明の実施例２について図４を用いて説明する。
　本実施例では，光増幅器に光スイッチの特性を持たせる構成である。実施例１同様，フォーカスステージ108の位置情報に基づき信号光パルスが光増幅器114を通過するタイミングに合せて，発振器102からの正弦波信号の位相をフェーズシフタ120により，シフトさせる。コンパレータ121により矩形波信号に変換し，光増幅器の励起用レーザの電流コントローラに入力する。信号光パルスが通過するタイミングで励起用レーザの電流を上げることにより信号光パルスを増幅し，それ以外の時間では励起用レーザの電流を下げて，信号光パルス増幅しないことにより，光増幅器に光増幅機能と光スイッチ機能の両方の機能を持たせることが可能となる。本実施例により，実施例1で示した光スイッチが不要となり，コストを低減することが可能となる。
　本発明の実施例３について図５を用いて説明する。
　本実施例では，位相計118によって検出された位相情報に基づき物体までのおおよその距離を判断することで，信号光パルスが光スイッチを通過するタイミングを知ることができる。位相計118としてはロックインアンプなどを用いることでノイズに埋もれた信号光パルスの位相情報すなわち位置情報を知ることが可能となる。ここでロックインアンプとは入力された2つの信号の位相を精度よく求めるための装置である。位相情報をフェーズシフタ120に入力し，光コムの繰返し周波数を制御する発振器102から出力される正弦波信号の位相をフェーズシフタ120により，信号光パルスが光スイッチを通過するタイミングに合せ，コンパレータ121により矩形波に変換し，光スイッチに入力することにより，信号光パルスのみを透過させて，ASE成分を抑制し，信号光パルスに対する利得およびSNを向上することが可能となる。本実施例により，実施例1で示したフォーカスステージの位置情報が不要となり，情報量を低減させることが可能となる。
　本発明の実施例４について図６（a)，（b)を用いて説明する。
　図６（a)は，本実施例の距離計測装置の構成図の例である。光コム発生器101から照射された光コムはファイバコリメータ104により空間中に照射され，偏光ビームスプリッタ105に入射する。一部はファイバコリメータ110で集光され，光導波路強度変調器605に入射し，主要な部分はλ/4板106を通過し，フォーカスレンズ107によって測定対象109に集光される。対象物からの反射光は再び，λ/4板106を通過し，偏光ビームスプリッタ105により反射され，ファイバコリメータ113で集光されて光増幅器114により増幅され，光導波路強度変調器606に入射する。発振器603は高周波数の変調信号を発生させ，パワーデバイダ604により2分岐して，それぞれ光導波路強度変調器605，606に入力される。光導波路強度変調器605を通過した光は受光器111によって電気信号に変換され，フィルタ112によって距離測定に用いる周波数成分のみを抽出し，位相計118の参照信号として入力される。光導波路強度変調器606を通過した光も同様に受光器116によって電気信号に変換され，フィルタ117によって距離測定に用いる周波数成分のみを抽出し，位相計118の測定信号として入力される。位相計118によって位相を算出し，距離演算回路119により距離演算する。基準信号601はパワーデバイダ602によって分岐され，発振器603と発振器102の発振の同期を取るために用いられる。
　図６（b)に光導波路強度変調器を用いて光コムを光ビートダウンする原理を示す。一実施例として光コムの繰返し周波数を10.0001MHzとすると周波数上で10.0001MHz間隔にスペクトルが存在する。あるスペクトルから10000本離れたスペクトルの周波数間隔は100.001GHzとなる。このビート信号を距離測定に用いる場合を考える。例えば，発振器603から高周波数の変調信号によって光導波路強度変調器605,606で信号光パルスに周波数変調を加え，1次のサイドバンド成分を用いて光ビートダウンする場合を考える。例えば、発振器603の発振周波数として100GHzを与えると10000本離れたスペクトルの周波数（100.0110001GHz）の－１次の周波数（11.0001GHz）と1本目のスペクトルの周波数（10.0001GHz）の差分から1MHzの周波数成分を発生させることができる。フィルタ117によって、距離測定に用いる1MHzのみを抽出することにより、1MHzまでビートダウンして受光器116で検出することが可能となる。また2次の成分を用いて光ビートダウンする場合を考えると，発振器603の発振周波数として50GHzを与え，10000本離れたスペクトルの周波数（100.0110001GHz）の－２次の周波数（11.0001GHz）と1本目のスペクトルの周波数（10.0001GHz）の差分から1MHzの周波数成分を発生させることができる。フィルタ117によって、距離測定に用いる1MHzのみを抽出することにより、1MHzまでビートダウンして受光器116で検出することが可能となる。同様にしてn次の成分を用いて光ビートダウンする場合を考えると，発振器の発振周波数として100/n GHzを与え，10000本離れたスペクトルの周波数（100.0110001GHz）の－n次の周波数（11.0001GHz）と1本目のスペクトルの周波数（10.0001GHz）の差分から1MHzの周波数成分を発生させることができる。フィルタ117によって、距離測定に用いる1MHzのみを抽出することにより、1MHzまでビートダウンして受光器116で検出することが可能となる。また、高次のサイドバンド成分を用いて光ビートダウンできれば，発振器の発振周波数を低周波に抑えることが可能となる。
　本実施例においてフォーカスレンズ107を搭載したフォーカスステージ108の位置情報から物体までのおおよその距離を判断することで，信号光パルスが光導波路強度変調器を通過するタイミングを知ることができる。光コムの繰返し周波数を制御する発振器102から出力される正弦波信号の位相をフェーズシフタ120により，信号光パルスが光導波路強度変調器を通過するタイミングに合せ，コンパレータ121により矩形波に変換し，スイッチ607に入力し，発振器603からの高周波信号に対して透過，遮断の切替えを行うことによって信号光パルスのみを透過および光ビートダウンし，ASE成分を抑制することで信号光パルスに対する利得およびSNを向上することが可能となる。
　図７に光増幅器を用いて信号光パルスのみを透過および光ビートダウンさせる方法について説明する。図７（a)に示すように光導波路変調器の動作点を干渉光が打ち消しあうバイアス電圧位置に合せる。変調信号を入力すると動作点を中心に光強度が変化し，与える変調信号の2倍の周波数の変調光が発生する。つまり，変調信号を与えると光ビートダウンするための光変調が生じ，変調信号を与えない場合は光を遮断する光スイッチの役割をする。
　図７（b)に動作の様子を示す。ASE成分を含む信号光パルスを入射し，信号光パルスに同期して発生する高周波電気信号を入力することで，信号光パルスを透過および光ビートダウンし，ASE成分を抑制することが可能となる。
　図８に信号光パルスの流れを示す。光コムから照射される光は等間隔に並んだパルス列となる。測定対象から散乱しファイバコリメータ113によって集光される光は微弱信号となる。光増幅器によって増幅した後の信号には信号光パルス以外にASE（自然放出光)成分も含まれる。フォーカスステージ108の位置情報に基づき発振器102の正弦波信号の位相をフェーズシフタ120によりシフトし，信号光パルスが光導波路強度変調器を通過するタイミングで発振器603から出力する高周波電気信号に対してスイッチをオンオフし，光導波路強度変調器606に入力することでASE成分を抑制可能となる。
　図９に裏面反射成分を抑制する新たな効果について説明する。ファイバコリメータ104から照射された測定光は波長板106，フォーカスレンズ107を通過し，測定対象109に照射される。測定対象以外に波長板106やフォーカスレンズ107からの裏面反射成分が検出される。測定対象からの反射光は微弱光であるため，わずかな光量の裏面反射成分が位相測定の誤差を生む可能性がある。図９の構成において測定対象までの距離に応じて信号光パルスの透過，遮断を行うため，照射されて近距離で発生する裏面反射成分は信号光パルスとタイミングが異なるため，遮断することが可能である。これにより，裏面反射成分を抑制し，微弱な信号光の位相を正確に求めることが可能となる。なおこの効果は他の実施例の構成においても得られる。本実施例により，実施例1に対してより高周波な信号の位相を検出することが可能となり，高精度な距離計測を行うことが可能となる。
　本発明の実施例５について図１０を用いて説明する。
　本実施例では，光増幅器に光スイッチの特性を持たせる構成である。実施例４同様，フォーカスステージ108の位置情報に基づき信号光パルスが光増幅器114を通過するタイミングに合せて，発振器102からの正弦波信号の位相をフェーズシフタ120により，シフトさせる。コンパレータ121により矩形波信号に変換し，光増幅器114の励起用レーザの電流コントローラに入力する。信号光パルスが通過するタイミングで励起用レーザの電流を上げることにより増幅し，それ以外の時間では励起用レーザの電流を下げることにより，増幅しないことにより，光増幅機能と光スイッチ機能の両方の機能を持たせることが可能となる。本実施例により，実施例1に対してより高周波な信号の位相を検出することが可能となり，高精度な距離計測を行うことが可能となる。また実施例4に対してスイッチ607が不要となり，コスト低減することが可能となる。
　本発明の実施例６について図１１を用いて説明する。
　本実施例では，光スイッチ1101を新たに追加する構成である。実施例４同様，フォーカスステージ108の位置情報に基づき信号光パルスが光増幅器114を通過するタイミングに合せて，発振器102からの正弦波信号の位相をフェーズシフタ120により，シフトさせる。コンパレータ121により矩形波信号に変換し，信号光パルスが通過するタイミングで光スイッチをオン，オフすることで信号光パルスのみを透過させて，ASE成分を抑制し，信号光パルスに対する利得およびSNを向上することが可能となる。本実施例により，実施例1に対してより高周波な信号の位相を検出することが可能となり，高精度な距離計測を行うことが可能となる。
　本発明の実施例７について図１２を用いて説明する。
　本実施例では，位相計118によって検出された位相情報に基づき物体までのおおよその距離を判断することで，信号光パルスが光スイッチを通過するタイミングを知ることができる。位相計118としてはロックインアンプなどを用いることでノイズに埋もれた信号光パルスの位相情報すなわち位置情報を知ることが可能となる。位相情報をフェーズシフタ120に入力し，光コムの繰返し周波数を制御する発振器102から出力される正弦波信号の位相をフェーズシフタ120により，信号光パルスが光導波路強度変調器を通過するタイミングに合せ，コンパレータ121により矩形波に変換し，発振器603から出力する高周波電気信号に対してスイッチをオンオフし，光導波路強度変調器606に入力することでASE成分を抑制可能となる。本実施例により，実施例1に対してより高周波な信号の位相を検出することが可能となり，高精度な距離計測を行うことが可能となる。またフォーカスステージの位置情報が不要となり，情報量を低減させることが可能となる。
　本発明の実施例８について図１３を用いて説明する。
　本実施例では，実施例1から7で述べた距離測定光学系機構を搭載した3次元距離測定装置の例を説明する。図１３は本実施例の装置構成図の例である。フォーカスレンズ107から照射される光は，ガルバノスキャナ1301によって3次元的にビーム走査可能となり，3次元形状計測が可能となる。ビーム走査手段としてはポリゴンミラーによる走査やミラーを搭載した軸をダイレクトドライブモータにより回転させる走査手段なでどもよい。図１４に3次元距離測定装置の全体図を示す。距離測定部1403，フォーカスステージ108，ガルバノスキャナ1301を備え，それらを駆動するための電源ユニット1402を備え，装置の制御および，距離測定結果を表示するために，GUIユニット1403を備える。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である
１０１…光コム，
１０２…発振器，
１０３…パワーデバイダ，
１０４…ファイバコリメータ，
１０５…偏光ビームスプリッタ，
１０６…λ/4板，
１０７…フォーカスレンズ
１０８…フォーカスレンズ駆動ステージ，
１０９…測定対象物，
１１０…ファイバコリメータ，
１１１…受光器，
１１２…フィルタ，
１１３…ファイバコリメータ
１１４…光増幅器，
１１５…光スイッチ，
１１６…受光器，
１１７…フィルタ，
１１８…位相計，
１１９…距離演算回路，
１２０…フェーズシフタ，
１２１…コンパレータ，
６０１…標準信号，
６０２…パワーデバイダ，
６０３…発振器，
６０４…パワーデバイダ，
６０５…光強度変調器，
６０６…光強度変調器，
６０７…スイッチ，
１１０１…光スイッチ，
１３０１…ガルバノスキャナ，
１４０１…距離測定部，
１４０２…電源，
１４０３…表示画面，
１５０１…検出器，
１５０２…フィルタ，
１５０３…検出器，
１５０４…フィルタ，
１５０５…測定対象，
１７０１…光増幅器，
１７０２…光スイッチ，
１７０３…光増幅器，
１７０４…光スイッチ，
１７０５…駆動装置，
１７０６…駆動装置，

Claims (12)

  1. 　パルス状の光を発生させる光源と、
    　前記光源から発生し、測定対象から反射された光を増幅する光増幅器と、
    　増幅された光のうちパルスが通過する時間における光を選択的に透過させる光スイッチとを備える距離計測装置。
  2. 　前記光源は、繰り返し周波数を制御する発信周波数制御機構を有することを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
  3. 　前記光スイッチは、前記測定対象までの距離情報によって光を透過させるタイミングを変更することを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
  4. 　前記光スイッチは、前記光スイッチを透過した光が入力される位相計の位相情報によって光を透過させるタイミングを変更することを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
  5. 　前記光スイッチとして、増幅された光のうちパルスが通過する時間における光を選択的に光ビートダウンさせて透過させる光導波路強度変調器を用いることを特徴とする請求項１の距離計測装置。
  6. 　測定結果を表示するGUI画面を備えることを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
  7. 　パルス状の光を発生させる光源と、
    　電流を変更することによって前記光源から発生し、測定対象から反射された光の強度を変更し、増幅された光のうちパルスが通過する時間における光を選択的に透過させる励起用レーザとを備える距離計測装置。
  8. 　パルス状の光を発生させる光源と、
    　電流を変更することによって前記光源から発生し、測定対象から反射された光の強度を変更し、増幅された光のうちパルスが通過する時間における光を選択的に光ビートダウンさせて透過させる光導波路強度変調器とを備える距離計測装置。
  9. 　パルス状の光を発生させ、
    　発生した光を測定対象に照射して反射された光を増幅し、
    　増幅された光のうちパルスが通過する時間における光を光スイッチによって選択的に透過させ、
    　透過した光の情報を用いて測定対象までの距離を計測することを特徴とする距離計測方法。
  10. 　前記測定対象までの距離情報によって光を透過するタイミングを変更することを特徴とする請求項９に記載の距離計測方法。
  11. 　透過した光の位相情報によって光を透過するタイミングを変更することを特徴とする請求項１０に記載の距離計測方法。
  12. 　増幅された光をビートダウンすることを特徴とする請求項１０の距離計測方法。
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