(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数シフト帰還レーザを用いた測定装置において、スループットの低減を抑制しつつ測定精度を向上させる。【解決手段】周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置１１０と、周波数変調レーザ光を参照光および測定光に分岐させる分岐部１２０と、測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、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１５０と、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、ビート信号を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、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する検出部１６０と、を備え、第１周波数は、レーザ共振器の共振周波数と等しい周波数か、または、レーザ共振器の共振周波数の２倍以上の周波数である、測定装置および測定方法を提供する。【選択図】図１
2020034546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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る、測定装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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、
を備える、測定方法。
【請求項９】
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ステップをさらに備える、請求項８に記載の測定方法。
【請求項１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５８３９０６号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】原武文，「ＦＳＦ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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。このような光学式距離計は、スループットの低減を抑制しつつ、より高精度に測定できることが望まれていた。
【０００６】
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、周波数シフト帰還レーザを用いた測定装置において、スループットの低減を抑制しつつ測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様においては、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る、測定装置を提供する。
【０００８】
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してもよい。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してもよい。
【０００９】
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してもよい。
【００１０】
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してもよい。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んでもよい。
【００１１】
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してもよい。
【００１２】
本発明の第２の態様においては、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、を備える、測定方法を提供する。
【００１３】
前記測定方法は、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ステップをさらに備えてもよい。
【００１４】
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てもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、周波数シフト帰還レーザを用いた測定装置において、スループットの低減を抑制しつつ測定精度を向上させるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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２】本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。
【図３】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４】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５】本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部１６０の構成例を示す。
【図６】本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部１６０の直交検波の概略の一例を示す。
【図７】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８】本実施形態に係る検出部１６０がアンダーサンプリングを実行した結果の第１の例を示す。
【図９】本実施形態に係る検出部１６０がアンダーサンプリングを実行した結果の第２の例を示す。
【図１０】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。
【図１１】本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［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、検出部１６０と、表示部１７０を備える。
【００１８】
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。
【００１９】
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、一例として、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に供給する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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が、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。
【００２３】
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、当該集光レンズが、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。
【００２４】
ビート信号発生部１５０は、測定光を計測対象物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。
【００２５】
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。
【００２６】
検出部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、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。検出部１６０は、異なるサンプリング周波数でビート信号をサンプリングして、ビート信号を周波数解析する。検出部１６０の周波数解析については後述する。
【００２７】
表示部１７０は、検出部１６０の解析結果を表示する。表示部１７０は、ディスプレイ等を有し、検出結果を表示してよい。また、表示部１７０は、記憶部等に解析結果を記憶させてもよい。
【００２８】
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。
【００２９】
［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。
【００３０】
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＋νｓ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νｓだけ周波数が増加するようにシフトさせる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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ｔ０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τＲＴ（＝１／νＣ）とすると、複数の縦モードは、次式のように１／τＲＴ（＝νＣ）間隔で並ぶことになる。なお、ν０は、時刻ｔ０における光スペクトルの初期周波数とする。
【数１】
2020034546.tif 000003
【００３４】
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ｔ０における瞬時周波数を左側に示したものである。
【００３５】
レーザ装置１１０においては、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νｓだけ増加させる。即ち、時間がτＲＴ経過する毎に、各モードの周波数はνｓだけ増加するので、周波数の時間変化ｄν／ｄｔは、νｓ／τＲＴ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。
【数２】
2020034546.tif 000004
【００３６】
［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。
【数３】
2020034546.tif 000005
【００３７】
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νｑ’（ｔ）とした。
【数４】
2020034546.tif 000006
【００３８】
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νＢ（ｍ，ｄ）とすると、νＢ（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】
2020034546.tif 000007
【００３９】
（数５）式より、距離ｄは、次式のように示される。ここで、１／τＲＴ＝νｃとした。
【数６】
2020034546.tif 000008
【００４０】
（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νｓ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。
【００４１】
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。
【００４２】
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νＢ（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νＢ（ｍ，ｄ）の関係を、複数のｍ毎に示したグラフである。
【００４３】
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νｃ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νｃ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。
【００４４】
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νＢ（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略同一の周波数に重畳される。例えば、周波数０からνｃ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νｃ／２にならない限り、それぞれ異なる周波数に位置する。
【００４５】
このように、周波数０からνＣの間の観測帯域においては、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）と、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）とはｍの値が異なるイメージ信号νＢ（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および検出部１６０について、次に説明する。
【００４６】
図５は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部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、２つの光電変換部１５４とを有する。
【００４７】
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。
【００４８】
光電変換部１５４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。光電変換部１５４は、フォトダイオード等でよい。光電変換部１５４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、２つの光電変換部１５４のうち一方の光電変換部１５４が第１ビート信号を発生させ、他方の光電変換部１５４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つのビート信号を検出部１６０に出力する。
【００４９】
検出部１６０は、２つのビート信号を周波数解析する。ここでは、検出部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。検出部１６０は、第１フィルタ部１６２、第２フィルタ部１６４、第１ＡＤ変換部２０２、第２ＡＤ変換部２０４、クロック信号供給部２１０および周波数解析部２２０を有する。
【００５０】
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νｃ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νｃ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νｃ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変換部２０２に供給する。また、第２フィルタ部１６４は、周波数νｃ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変換部２０４に供給する。
【００５１】
第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部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変換部２０２は第１ビート信号をデジタル信号に変換し、第２ＡＤ変換部２０４は第２ビート信号をデジタル信号に変換する。クロック信号供給部２１０は、第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部２０４にクロック信号を供給する。これにより、第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部２０４は、受け取ったクロック信号の周波数と略同一の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。
【００５２】
ここで、観測帯域を０からνｃ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周波数νｃである。したがって、クロック信号供給部２１０が、レーザ共振器の共振周波数νｃの２倍以上の周波数のクロック信号を第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部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。ここで、共振周波数νｃの２倍以上の周波数を第１周波数とする。このように、検出部１６０は、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ビート信号および第２ビート信号を第１サンプリングデータとして周波数解析する。
【００５３】
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。以上のビート信号発生部１５０における直交検波と検出部１６０における周波数解析について、次に述べる。
【００５４】
なお、検出部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。例えば、検出部１６０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および／またはＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。
【００５５】
検出部１６０の少なくとも一部をコンピュータ等で構成する場合、当該検出部１６０は、記憶部および制御部を含む。記憶部は、一例として、周波数解析部２２０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）、アプリケーションプログラム、および／または当該アプリケーションプログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してよい。即ち、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。
【００５６】
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周波数解析部２２０として機能する。制御部は、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を含んでもよい。
【００５７】
図６は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および検出部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νｃの間の周波数帯域に、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）が観測される。この場合、Ｉ信号およびＱ信号には、負側の周波数０から−νｃの間の周波数帯域に、ビート信号−νＢ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号の元のビート信号−νＢ（ｍ＋１，ｄ）が存在する。
【００５８】
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νｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号およびＱ信号のイメージ信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）は、互いに位相が反転する。同様に、負側の周波数０から−νｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号およびＱ信号のビート信号−νＢ（ｍ，ｄ）は、互いに位相が反転する。
【００５９】
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νｃの間の周波数帯域において、周波数νＢ（ｍ，ｄ）のビート信号は強め合い、周波数νＢ（ｍ＋１，ｄ）のイメージ信号は相殺される。同様に、周波数０から−νｃの間の周波数帯域において、周波数−νＢ（ｍ＋１，ｄ）のビート信号は強め合い、周波数−νＢ（ｍ，ｄ）のビート信号は相殺される。
【００６０】
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νｃの間の周波数帯域には１つのビート信号が周波数νＢ（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、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを測定できる。
【００６１】
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。即ち、ビート信号の信号周波数νＢ（ｍ，ｄ）の測定精度が距離ｄの測定精度に与える影響は、νｓおよびνｃの値が大きいほど小さくなる。また、νｃにも測定誤差が含まれる場合があるので、ｍの値は小さい方が好ましい。図４の例から、距離ｄが同じであれば、νｓが小さいほどｍの値は小さくなることがわかる。したがって、νｓの値を大きくすることと比較して、νｃの値を大きくした方が距離ｄの測定精度を向上させるためには好ましい。しかしながら、νｃは観測帯域においてビート信号が最大となる周波数なので、νｃの値を大きくすることは、サンプリング周波数を大きくすることに相当する。
【００６２】
また、νＢ（ｍ，ｄ）およびνｃの測定精度は、サンプリング時間の逆数である周波数分解能に大きく影響を受ける。即ち、νＢ（ｍ，ｄ）およびνｃの測定精度を向上させるためには、サンプリング時間を長くすることが好ましい。
【００６３】
このように、距離ｄの測定精度の向上には、より高いサンプリング周波数で、より長いサンプリング時間を用いてビート信号をサンプリングすることが好ましいので、サンプルデータ数が増加してしまうことになる。サンプルデータ数が増加すると、周波数解析に係る時間が長くなるので、第１サンプリングデータによる距離測定は、スループットが低下してしまうことがある。
【００６４】
ここで、観測するビート信号は観測帯域内に１つであり、当該ビート信号の信号スペクトル幅は数百ｋＨｚ程度である。この場合、通常のオーバーサンプリングに加えて、サンプリング周波数を低減させたアンダーサンプリングを組み合わせることによって、サンプルデータ数を低減させることが考えられる。このようなアンダーサンプリングについて、次に説明する。
【００６５】
［アンダーサンプリング］
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。
【００６６】
図７の下側の図は、アンダーサンプリングによって観測される周波数帯域ｆｓの例を示す。周波数帯域ｆｓの信号成分は、分割された複数の帯域１、帯域２、・・・の信号成分が重畳された結果となる。また、周波数ｆ’にビート信号が観測された例を示す。ここで、アンダーサンプリングによって観測されると周波数ｆ’と、本来の観測帯域である第１周波数帯域における周波数Ｆとは、次式の関係で示すことができる。ここで、「％」は、剰余演算を示す。
【数７】
2020034546.tif 000009
【００６７】
ここで、アンダーサンプリングによって観測された信号成分ｆ’が、本来の観測帯域のどの帯域に属していたかがわかれば、本来の帯域における周波数位置Ｆを算出することができる。例えば、信号成分ｆ’が属していた帯域の番号をｎとすれば、次式を用いて周波数位置Ｆを算出することができる。
【数８】
2020034546.tif 000010
【００６８】
なお、このようなアンダーサンプリングは、第１周波数よりもサンプリング周波数ｆｓが低いので、第１サンプリングデータと比較してより少ないサンプリングデータで測定精度を向上させることができる。即ち、例えば、測定装置１００は、ビート信号がどの帯域に属するかを判別できる程度の低い精度で、第１サンプリングデータを周波数解析してｎの値を決定する。そして、測定装置１００は、高精度なアンダーサンプリングによって信号周波数ｆ’を観測して、（数８）式からビート信号の周波数Ｆを算出する。これにより、スループットの低減を抑制しつつ、ビート信号の周波数Ｆの高精度な測定が期待される。
【００６９】
しかしながら、図６の例で説明したように、第１周波数帯域には直交検波によって１つのビート信号νＢ（ｍ，ｄ）が存在することになるが、０から−νｃの負の周波数帯域にもｍの異なるビート信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）が存在する。この場合、アンダーサンプリングを実行すると、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）に基づく信号成分の他に、ビート信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）に基づく信号成分が重畳してしまい、どちらが観測すべきビート信号であるのかが判別できなくなってしまう。
【００７０】
図８は、本実施形態に係る検出部１６０がアンダーサンプリングを実行した結果の第１の例を示す。図８の横軸は周波数、縦軸は信号強度を示す。図８は、νｃ＝１００ＭＨｚ、νＢ（ｍ，ｄ）＝２５．４ＭＨｚ、νＢ（ｍ＋１，ｄ）＝−７４．６ＭＨｚ、アンダーサンプリングの周波数ｆｓ＝３０ＭＨｚとした場合の例を示す。なお、各信号は、正弦波で、振幅値が略同一とした。
【００７１】
周波数νＢ（ｍ，ｄ）のビート信号は、帯域１に含まれる信号であり、アンダーサンプリングの結果も２５．４ＭＨｚに位置することになる。また、周波数νＢ（ｍ＋１，ｄ）のビート信号は、マイナス方向の３番目の帯域に含まれる信号であり、アンダーサンプリングにより−１４．６ＭＨｚとなった信号が折り返され、１５．４ＭＨｚに位置することになる。このように、単にアンダーサンプリングを実行しただけでは、観測帯域内に２つの信号成分が存在してしまい、観測すべきビート信号を判別することができなくなってしまう。
【００７２】
このように、従来、測定装置１００のビート信号に対して、オーバーサンプリングとアンダーサンプリングを組み合わせて周波数解析することは困難であった。即ち、スループットの低減を抑制しつつ、測定精度を向上させることは困難であった。
【００７３】
そこで、本実施形態に係る測定装置１００は、アンダーサンプリングのサンプリング周波数を、レーザ共振器の共振器周波数に対応する周波数とすることで、観測すべきビート信号を判別可能とする。より具体的には、検出部１６０は、レーザ共振器の共振周波数を正の整数で割った周波数をアンダーサンプリングのサンプリング周波数として用いる。ここで、レーザ共振器の共振周波数νｃの整数分の１の周波数を第２周波数とする。なお、正の整数は、０より大きい整数であり、例えば、第２周波数は、νｃをｋ（＝１，２，３，．．．）で割ったνｃ／ｋと示される。
【００７４】
そして、検出部１６０は、第１サンプリングデータと、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、参照光と測定光との伝搬距離の差ｄを検出する。ここで、（数５）式より、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）およびビート信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）の周波数差は、νｃである。したがって、第２周波数νｃ／ｋをサンプリング周波数ｆｓとすると、（数７）式にビート信号νＢ（ｍ，ｄ）およびビート信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）のいずれを代入しても、アンダーサンプリングによって観測される周波数ｆ’は略同一の周波数となる。
【００７５】
即ち、アンダーサンプリングによって発生するビート信号νＢ（ｍ，ｄ）およびビート信号νＢ（ｍ＋１，ｄ）の周波数は、サンプリング周波数を第２周波数とすることにより、略同一の周波数となる。図９は、本実施形態に係る検出部１６０がアンダーサンプリングを実行した結果の第２の例を示す。図９の横軸は周波数、縦軸は信号強度を示す。図９は、νｃ＝１００ＭＨｚ、νＢ（ｍ，ｄ）＝２５．４ＭＨｚ、νＢ（ｍ＋１，ｄ）＝−７４．６ＭＨｚ、アンダーサンプリングの周波数ｆｓ＝１０ＭＨｚとした場合の例を示す。即ち、ｋ＝１０である。なお、各信号は、正弦波で、振幅値が略同一とした。
【００７６】
周波数νＢ（ｍ，ｄ）のビート信号は、帯域３に含まれる信号であり、アンダーサンプリングの結果は５．４ＭＨｚに位置することになる。また、周波数νＢ（ｍ＋１，ｄ）のビート信号は、マイナス方向の８番目の帯域に含まれる信号であり、アンダーサンプリングにより−４．６ＭＨｚとなった信号が折り返され、５．４ＭＨｚに位置することになる。このように、第２周波数をレーザ共振器の共振器周波数に対応する周波数とすることで、２つのビート信号を見かけ上１本の線スペクトルとすることができる。
【００７７】
以上のように、本実施形態に係る測定装置１００は、ビート信号をアンダーサンプリングしても、観測すべきビート信号を判別することができるので、当該アンダーサンプリングとオーバーサンプリングとを組み合わせて、伝搬距離の差ｄを検出できる。そして、上述したように、検出部１６０は、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、ビート信号を第１周波数および第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。これにより、測定装置１００は、スループットの低減を抑制しつつ、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを高精度に測定できる。このような測定装置１００の動作フローについて次に説明する。
【００７８】
［測定装置１００の動作フロー］
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。
【００７９】
まず、Ｓ１０１０において、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１１０は、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。そして、分岐部１２０は、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。光ヘッド部１４０は、測定光を計測対象物１０に照射する。
【００８０】
次に、Ｓ１０２０において、光ヘッド部１４０は、計測対象物から反射された反射光を受光する。そして、ビート信号発生部１５０は、反射光と参照光とを混合してビート信号を発生させる。ここで、ビート信号発生部１５０は、直交検波によりＩ信号およびＱ信号のビート信号を発生させてよい。
【００８１】
次に、Ｓ１０３０において、検出部１６０は、ビート信号をレーザ共振器の共振周波数の２倍以上の第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。即ち、クロック信号供給部２１０は、第１周波数のクロック信号を第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部２０４に供給して、第１サンプリングデータを生成する。
【００８２】
次に、Ｓ１０４０において、検出部１６０は、第１サンプリングデータに基づき、ビート信号が発生する帯域を判定する。即ち、周波数解析部２２０は、第１サンプリングデータのＩ信号およびＱ信号を周波数変換してＩ＋ｊＱを算出する。そして、周波数解析部２２０は、第１周波数を用いて検出可能な第１周波数帯域を、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、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。周波数解析部２２０は、例えば、（数８）式のｎの値を特定することにより、ビート信号が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。
【００８３】
次に、Ｓ１０５０において、検出部１６０は、ビート信号をレーザ共振器の共振周波数以下の第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。ここで、第２周波数は、レーザ共振器の共振周波数を正の整数で割った周波数である。即ち、クロック信号供給部２１０は、第２周波数のクロック信号を第１ＡＤ変換部２０２および第２ＡＤ変換部２０４に供給して、第２サンプリングデータを生成する。
【００８４】
次に、Ｓ１０６０において、検出部１６０は、第１サンプリングデータおよび第２サンプリングデータの周波数解析結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。周波数解析部２２０は、第２サンプリングデータのＩ信号およびＱ信号を周波数変換してＩ＋ｊＱを算出する。そして、周波数解析部２２０は、ビート信号が発生した周波数ｆ’およびｎの値を（数８）式に代入して、第１周波数帯域における周波数Ｆを算出する。そして、周波数解析部２２０は、（数６）式を用いて、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを算出する。表示部１７０は、算出した距離ｄの値を表示する。
【００８５】
以上のように、測定装置１００は、２つのサンプリング周波数を用いてビート信号をサンプリングすることにより、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを高速かつ高精度に測定できる。なお、測定装置１００は、周波数変調レーザ光を計測対象物１０に照射する位置を異ならせて、図１０に示す動作フローを繰り返して、計測対象物１０の形状を測定してもよい。
【００８６】
なお、図１０に示す動作フローは、Ｓ１０３０の第１サンプリングデータの生成、Ｓ１０４０のビート信号が発生する帯域の判定、およびＳ１０５０の第２サンプリングデータの生成を、順次実行する例を説明したが、これに限定されることはない。測定装置１００は、第１サンプリングデータの生成および第２サンプリングデータの生成を、別個独立に実行してもよい。測定装置１００は、例えば、Ｓ１０３０の第１サンプリングデータの生成およびＳ１０４０のビート信号が発生する帯域の判定と、Ｓ１０５０の第２サンプリングデータの生成とを、並列に実行してもよい。
【００８７】
［変形例］
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。
【００８８】
図１１は、本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成の変形例を示す。本変形例のレーザ装置１１０において、図２に示された本実施形態に係るレーザ装置１１０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。本変形例のレーザ装置１１０は、レーザ共振器内に遅延量可変型の光遅延部２４０を更に含む。
【００８９】
光遅延部２４０は、外部から供給される制御信号等に応じて、入力した光を出力するまでの遅延時間を変化させる。光遅延部２４０は、一例として、光路長を調節可能な可変ディレイラインである。即ち、光遅延部２４０は、共振器の共振器長を調整可能とする。光遅延部２４０は、例えば、検出部１６０から光路長を制御する制御信号を受け取る。
【００９０】
この場合、検出部１６０は、第２サンプリングデータの周波数解析結果において、２つの線スペクトルが観測されたことに応じて、制御信号を光遅延部２４０に送信する。また、検出部１６０は、第２サンプリングデータの周波数解析結果において、１つの線スペクトルの線幅が予め定められた閾値を超えたことに応じて、制御信号を光遅延部２４０に送信してもよい。
【００９１】
これにより、レーザ装置１１０の製造バラツキ、環境変動、継時変化等によって、共振周波数が変動しても、レーザ装置１１０は、共振周波数および第２周波数が予め定められた関係となるように制御できる。また、検出部１６０側のサンプリング周波数が同様に変動しても、レーザ装置１１０は、共振周波数および第２周波数が予め定められた関係となるように制御できる。
【００９２】
測定装置１００は、図１１に示すようなレーザ装置１１０が設けられる場合、図１０の動作フローにおいて、光遅延部２４０の遅延量を調整するステップを更に実行することが好ましい。測定装置１００は、図１０の動作フローのＳ１０５０よりも前の段階で、当該遅延量を調整するステップを実行することが好ましい。例えば、測定装置１００は、図１０の動作フローを実行する前に、当該遅延量を調整するステップを実行してよく、これに代えて、Ｓ１０５０の直前に当該遅延量を調整するステップを実行してもよい。
【００９３】
以上の本実施形態に係る測定装置１００において、イメージ信号をキャンセルすべく、ビート信号を直交検波する例を説明したが、これに限定されることはない。検出部１６０は、直交検波を省き、ビート信号を第１周波数でサンプリングして周波数変換してもよい。この場合、例えば、検出部１６０は、光遅延部２４０の遅延量等を制御して、共振器長の変化に対するビート信号が発生する周波数の変化を観測する。
【００９４】
直交検波を省いた場合、第１周波数帯域には、ビート信号およびイメージ信号が観測される。しかしながら、イメージ信号は負の周波数帯の折り返しになるので、ビート信号およびイメージ信号における共振器長の変化に対する信号周波数の変化は、互いに逆向きになる。したがって、検出部１６０は、共振器長の変化に対する信号周波数の変化が予め定められた方向であるか否かを検出することにより、ビート信号およびイメージ信号のいずれかを判別してもよい。
【００９５】
ビート信号が判別できれば、アンダーサンプリングによって発生する周波数位置を推定できるので、検出部１６０は、アンダーサンプリングにおいて２本の線スペクトルが発生しても、観測すべきビート信号を判別できる。したがって、測定装置１００は、直交検波を省いても、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを高速かつ高精度に測定できる。
【００９６】
以上の本実施形態に係る測定装置１００において、検出部１６０が、レーザ共振器の共振周波数と等しい周波数の第１周波数でビート信号をサンプリングして、ビート信号が発生する帯域を判定する例を説明したが、これに限定されることはない。検出部１６０は、例えば、レーザ共振器の共振周波数と等しい周波数を第１周波数とし、当該第１周波数でビート信号をサンプリングしてもよい。図４で示すように、サンプリング周波数を共振周波数νｃとすると、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）が発生する周波数とイメージ信号νＢ（ｍ’，ｄ）が発生する周波数が、観測帯域内で略一致する。ここで、ｍ’＝ｍ＋１である。
【００９７】
即ち、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号νＢ（ｍ’，ｄ）を分離する必要がなくなる。これにより、レーザ共振器の共振周波数と等しい周波数の第１周波数でビート信号をサンプリングしても、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）が発生する帯域を判定することができる。したがって、この場合においても、測定装置１００は、ビート信号νＢ（ｍ，ｄ）の発生帯域の判定結果と、第２サンプリングデータの周波数解析結果とを用いることにより、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを高速かつ高精度に測定できる。
【００９８】
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、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、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合わせ持つ。
【符号の説明】
【００９９】
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  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
【図１】
2020034546.tif 000011
【図２】
2020034546.tif 000012
【図３】
2020034546.tif 000013
【図４】
2020034546.tif 000014
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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