(57)【要約】【課題】光を受光した状態と光を遮断した状態とでそれぞれ位相差を測定することによって、光の変調周波数に同期したノイズを除去し、光波位相差測定の精度を向上させる。【解決手段】ＬＤ１１から光を送光したうえで、▲１▼ＰＤ１６で外部光を受光した状態、▲２▼ＰＤ１６で内部参照光を受光した状態、▲３▼ＰＤ１６で何れの光も受光しない状態、という３つの状態をつくる。各状態で位相差の測定を行い、▲１▼の状態における測定結果及び▲２▼の状態における測定結果から▲３▼の状態における測定結果を差し引くことによって、▲１▼、▲２▼の状態における測定結果から同期ノイズφｎｚを除去し、▲１▼の状態における測定結果と▲２▼の状態における測定結果との差、すなわち外部光の位相差φＴと内部参照光の位相差φＬとの差（φＴ−φＬ）を求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調周波数に同期した光を送光する送光部と、光を受光する受光部と、送光した光と受光した光との位相差を測定する位相差測定部と、を備え、前記送光部で送光した光と目標で反射し前記受光部で受光した光との位相差を前記位相差測定部で測定する光波位相差測定装置において、
前記送光部と前記受光部との間で光を遮断する光遮断部と、
前記受光部で光を受光した状態における前記位相差測定部の測定結果と、前記光遮断部で前記受光部への光を遮断した状態における前記位相差測定部の測定結果とを用いて、変調周波数に同期したノイズが除去された位相差を求める演算部と、を備えたこと
を特徴とする光波位相差測定装置。
【請求項２】
前記光遮断部は、
前記送光部から目標を経て前記受光部に到達する外部光を遮断する外部光遮断部と、
前記送光部から装置内部を経て前記受光部に到達する内部参照光を遮断する内部参照光遮断部と、を備え、
前記演算部は、前記外部光遮断部で外部光を遮断した状態における前記位相差測定部の測定結果と、前記内部参照光遮断部で内部参照光を遮断した状態における前記位相差測定部の測定結果と、前記外部光遮断部及び前記内部参照光遮断部で外部光及び内部参照光を遮断した状態における前記位相差測定部の測定結果とを用いて、変調周波数に同期したノイズが除去された位相差を求めること
を特徴とする請求項１記載の光波位相差測定装置。
【請求項３】
変調周波数に同期した光を送光すると共に目標で反射した光を受光し、送光した光と受光した光との位相差を測定する光波位相差測定方法において、
送光した光を受光した状態で位相差を測定する受光状態測定工程と、
送光した光を遮断した状態で位相差を測定する遮断状態測定工程と、
前記受光状態測定工程における測定結果と、前記遮断状態測定工程における測定結果とを用いて、変調周波数に同期したノイズが除去された位相差を求める演算工程と、を少なくとも備えたこと
を特徴とする光波位相差測定方法。
【請求項４】
前記受光状態測定工程は少なくとも、
目標で反射した外部光を受光した状態で位相差測定する外部光受光工程と、
装置内部を経た内部参照光を受光した状態で位相差測定する内部参照光受光工程と、を含み、
前記演算工程は、少なくとも前記外部光受光工程における測定結果と、前記内部参照光受光工程における測定結果と、前記遮断状態測定工程における測定結果とを用いて、変調周波数に同期したノイズが除去された位相差を求める工程と、を含むこと
を特徴とする請求項３記載の光波位相差測定方法。
【請求項５】
変調周波数に同期した光を送光すると共に目標で反射した光を受光し、送光した光と受光した光との位相差を測定し、位相差に基づいて目標までの距離を求めるようにした光波位相差測定装置において、
周波数ｆ１の光と、受光されるまでの光路長に含まれる波長の数ｎが周波数ｆ１の光と同一である周波数ｆ２の光と、をそれぞれ送光し、
目標で反射した周波数ｆ１の光を受光し、送光した光と受光した光との位相差φ１を求め、
目標で反射した周波数ｆ２の光を受光し、送光した光と受光した光との位相差φ２を求め、
前記位相差φ１と前記位相差φ２との差である２重位相差Δφと、前記周波数ｆ１と、前記周波数ｆ２と、光速ｃとを用いて、目標までの距離Ｄを求めること
を特徴とする光波位相差測定装置。
【請求項６】
変調周波数に同期した光を送光すると共に目標で反射した光を受光し、送光した光と受光した光との位相差を測定し、位相差に基づいて目標までの距離を求めるようにした光波位相差測定方法において、
周波数ｆ１の光を送光する工程と、
目標で反射した周波数ｆ１の光を受光し、送光した光と受光した光との位相差φ１を求める工程と、
周波数ｆ１の光と、受光されるまでの光路長に含まれる波長の数ｎが周波数ｆ１の光と同一である周波数ｆ２の光を送光する工程と、
目標で反射した周波数ｆ２の光を受光し、送光した光と受光した光との位相差φ２を求める工程と、
前記位相差φ１と前記位相差φ２との差である２重位相差Δφと、前記周波数ｆ１と、前記周波数ｆ２と、光速ｃとを用いて、目標までの距離Ｄを求める工程と、を備えたこと
を特徴とする光波位相差測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を送光すると共に目標で反射した光を受光し、送光した光と受光した光との位相差を測定する光波位相差測定装置及び光波位相差測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のトンネル覆工コンクリートの破損事故などの影響で、トンネル等の土木構造物の維持管理の重要性が高まり、そのための技術の高度化も要求されるようになってきている。特に、高速道路、鉄道等の変状のあるトンネルの維持管理や、２期線トンネルなど近接施工の際の既設トンネルの監視のためには、所定の精度を有し土木現場で使用可能な変位測定機器を用いて土木構造物（以下、目標という）の変位を測定する必要性が生じている。
【０００３】
土木建築の測量では、変位を高精度で測定する装置（以下、変位計という）よりも、長距離を高精度で測定する装置（以下、距離計という）が開発されるに至っている。これは、従来は変位を測定するということ自体があまり一般的でなく、変位を測定するという考え方よりも、距離を測定するという考え方の方が主となっているためであり、また距離の測定を継続して行うことを変位の測定に置換できるためでもある。この距離計と変位計の基本的な原理は同じであり、両者とも光波位相差を利用する技術が用いらている。このような距離計は特に光波測距儀と呼ばれている。
【０００４】
本明細書では光波位相差を測定するための装置を光波位相差測定装置という。光波位相差測定装置は、信号を変調し、この変調信号と同期した光を目標に向けて送光すると共に、目標からの反射光を受光し、更に受光した光（以下、受光光という）と送光した光（以下、送光光という）の位相差を測定するものである。この位相差は長さ（距離や変位）に変換できる。光波位相差測定装置を距離計として使用する場合は、次のような見地から目標までの距離Ｄが求められる。
【０００５】
送光光の波長をλとし、送光光と受光光との位相差をφとすると、距離Ｄは下記（１）式で与えられる。
２Ｄ＝λ×（φ／２π）
Ｄ＝（λ／２）×（φ／２π）    （１）
したがって送光光と受光光の位相差を測定することによって距離Ｄを求めることができる。
【０００６】
一方、光波位相差測定装置を変位計として使用する場合、変位ｄは、時間の経過に応じて変化する距離の増減ΔＤ、すなわち位相差の増減Δφから求められる。  ΔＤ＝ｄ＝（λ／２）×（Δφ／２π）    （２）
通常、（φ／２π）の測定精度は１／５０００が限界である。なお、変位計、距離計は位相差を長さ（距離、変位）に変換するものであるため、測定する位相差φが２π（３６０度）以内であることが必要である。位相差が２πを超えると厳密な位相差を特定できないためである。
【０００７】
光波位相差測定装置の詳細に関しては、光波測距儀の原理として下記非特許文献１、２に記載されている。以下でその原理について簡単に説明する。
【０００８】
図１０は従来の光波位相差測定装置の概略構成を示す図である。
【０００９】
図１０に示すように、光波位相差測定装置１００は光学部１０と測定処理部２０とから構成されている。
【００１０】
光学部１０は、基板に固定されるレーザダイオード（以下、ＬＤという）１１と、ＬＤ１１から送光された光を平行光にするコリメートレンズ１２と、入射する光の一部を透過すると共に一部を反射するハーフミラー１３と、電気的な制御により位置Ｓａ、Ｓｂ間を移動しハーフミラー１３からの透過光又は反射光を遮断するシャッタ１４と、外部からの光を所定の焦点位置に集光する集光レンズ１５と、基板に固定されるフォトダイオード（以下、ＰＤという）１６と、ハーフミラー１３からの反射光をＰＤ１６へ案内するミラー１７とを有する。
【００１１】
ＬＤ１１から送光され、目標ＴＧを経て、ＰＤ１６で受光される光を外部光といい、その光路を外部光路という。またＬＤ１１から送光され、ハーフミラー１３及びミラー１７を経て、ＰＤ１６で受光される光を内部参照光といい、その光路を内部参照光路という。
【００１２】
測定処理部２０は、基準信号Ｆを出力する発振回路２１と、発振回路２１から出力された基準信号Ｆの周波数よりも若干低い周波数の信号Ｆ１を出力すると共に周波数を分周して低周波の信号Ｆ２を出力する分周回路２２と、基準信号Ｆに同期するようにＬＤ１１を動作させるドライバ２３と、ＰＤ１６で受光された光を信号に変換し増幅した信号Ｆｎを出力するアンプ２４と、分周回路２２から出力された信号Ｆ１とアンプ２４から出力された信号Ｆｎとをミキシングして両周波数の差の周波数を発生させ（ビートダウン又は周波数ミキシングという）その周波数成分を有する信号Ｆ３を出力するミキシング回路２５と、ミキシング回路２４から出力された信号Ｆ３の高周波成分を除去して信号Ｆ４を出力するローパスフィルター（以下、ＬＰＦという）２６と、ＬＰＦ２６から出力された信号Ｆ４と分周回路２２から出力された低周波信号Ｆ２とをミキシングすることによって送光光と受光光との位相差を示す位相信号Ｆ５を出力する位相差測定回路２７と、位相信号Ｆ５に基づき距離又は変位を演算する演算部２８とを有する。
【００１３】
次に光波位相差測定装置１００による位相差の測定処理について簡単に説明する。
【００１４】
例えば、最初に外部光の測定が行われる。
【００１５】
発振回路２１でＦ＝ｓｉｎωｎｔ（ωｎは角周波数）という変調信号が発振されると、ドライバ２３は信号Ｆに同期してＬＤ１１を動作させる。すると位相を有する信号Ｆのレーザ光がＬＤ１１から送光される。シャッタ１４が位置Ｓｂにされて内部参照光路が遮断された状態では、送光光はターゲットＴＧで反射し、集光レンズ１５で集光され、ＰＤ１６で受光される。受光光は、外部光路に相当する位相φＴだけずれた信号ＦｎＴ＝Ａｓｉｎ（ωｎｔ＋φＴ）である。
【００１６】
この信号ＦｎＴと発振された信号Ｆとを用いて測定処理部２０で位相差が求められるのであるが、発振された信号Ｆには初期位相φ０が発生している。分周回路２２では発振周波数ωｎよりも若干低い角周波数ω０が生成され、分周回路２２からは信号Ｆ１Ｓ＝ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）（添字“Ｓ”は正弦波を示す）が出力される。また分周回路２２からは信号Ｆ２Ｓ＝ｓｉｎωＰｔ（但し、ωＰ＝ωｎ−ω０）が出力される。
【００１７】
ミキシング回路２５では信号Ｆ１Ｓと信号ＦｎＴとが周波数ミキシングされ、高周波成分（ωｎ＋ω０）と低周波成分（ωｎ−ω０）を含む信号Ｆ３ＴＳが出力される。ＬＰＦ２６では信号Ｆ３ＴＳの高周波成分（ωｎ＋ω０）が除去され、下記（３）式で表される信号Ｆ４ＴＳが出力される。
Ｆ４ＴＳ＝（Ａ／２）〔ｃｏｓ（ωＰｔ＋φＴ−φ０）〕    （３）
【００１８】
位相差測定回路２７では信号Ｆ４ＴＳと信号Ｆ２Ｓとが周波数ミキシングされ、更に高周波成分が除去されて下記（４）式で表される信号Ｆ５ＴＳが得られる。
Ｆ５ＴＳ＝（Ａ／４）ｓｉｎ（φＴ−φ０）    （４）
分周回路２２から出力される信号の位相を９０°ずらすと、分周回路２２からは信号Ｆ１Ｃ＝ｃｏｓ（ω０ｔ＋φ０）（添字“Ｃ”は余弦波を示す）と、信号Ｆ２Ｃ＝ｃｏｓωＰｔが出力される。
【００１９】
ミキシング回路２５では信号Ｆ１Ｃと信号ＦｎＴとが周波数ミキシングされ、高周波成分（ωｎ＋ω０）と低周波成分（ωｎ−ω０）を含む信号Ｆ３ＴＣが出力される。ＬＰＦ２６でこの信号の高周波成分（ωｎ＋ω０）が除去され、下記（５）式で表される信号Ｆ４ＴＣが出力される。
【００２０】
Ｆ４ＴＣ＝（Ａ／２）〔ｓｉｎ（ωＰｔ＋φＴ−φ０）〕    （５）
【００２１】
位相差測定回路２７では信号Ｆ４ＴＣと信号Ｆ２Ｃとが周波数ミキシングされ、更に高周波成分が除去されて下記（６）式で表される信号Ｆ５ＴＣが得られる。
Ｆ５ＴＣ＝（Ａ／４）ｃｏｓ（φＴ−φ０）    （６）
上記（４）式、（６）式から、外部光路に相当する位相φＴと初期位相φ０との情報（φＴ−φ０）が得られる。続いて、初期位相φ０を除去するために内部参照光の測定が行われる。
【００２２】
シャッタ１４が位置Ｓａにされて外部光路が遮断された状態では、送光光はハーフミラー１３、ミラー１７で反射し、ＰＤ１６で受光される。測定処理部２０では、外部光を測定する場合と同様の測定処理が行われる。すると、内部参照光路に相当する位相φＬと初期位相φ０との情報（φＬ−φ０）が得られる。
【００２３】
（φＴ−φ０）から（φＬ−φ０）を差し引くことで初期位相φ０が除去された（φＴ−φＬ）を求めることができる。
【００２４】
演算部２８では求めた（φＴ−φＬ）に基づき距離又は変位が演算される。
【００２５】
光波位相差測定装置１００は上述したように動作するものであり、このような技術は例えば下記特許文献１に示されているように公知である。
【００２６】
ところで、光波位相差測定装置１００を変位計として用いる場合であって高精度な測定を行うためには、波長λが小さいこと、すなわち送光光が高周波（一般に３０（ＭＨｚ）程度）であることが必要である。
【００２７】
一方、光波位相差測定装置１００を距離計として用いる場合に、送光光が３０（ＭＨｚ）という高周波であるとすると、測定できる距離Ｄは、
Ｄ＝（λ／２）＝〔（Ｃ／ｆ）／２〕＝５（ｍ）
となり、測定距離の限界としては短すぎる。送光光の周波数ｆが３（ＭＨｚ）という周波数であるとすると、測定できる距離Ｄは５０（ｍ）となるが、精度は（λ／２）×（１／５０００）＝１０（ｍｍ）となり、高精度は望めない。
【００２８】
そこで従来の距離計は、図１１に示すような構成にされている。図１１は距離計として使用される光波位相差測定装置を示す図である。光波位相差測定装置１００′には、精度を高くするために複数の測定処理部２０−ｋ（ｋ＝１〜ｎ）が設けられる。各測定処理部２０−ｋは、例えば３（ＭＨｚ）、３０（ＭＨｚ）、３００（ＭＨｚ）といった異なる周波数帯域の変調信号を出力するように電子回路が構成されている。距離測定時には各測定処理部２０−ｋが切り換えられてそれぞれで測定が行われ、各測定結果から距離Ｄが求められる。
【００２９】
例えば、距離４３．６２５２（ｍ）の測定には測定処理部２０−１〜２０−３が設けられ、次のようにして行われる。
【００３０】
測定処理部２０−１の変調周波数がｆ１＝３（ＭＨｚ）であるとすると、波長はλ１＝１００（ｍ）となるため、５０（ｍ）までの距離が測定可能である。測定結果がＤ１＝４３．６２（ｍ）であるとすると、Ｄ１の整数部分が採用され、ここでは４３（ｍ）という値が得られる。
【００３１】
測定処理部２０−２の変調周波数がｆ２＝３０（ＭＨｚ）であるとすると、波長はλ２＝１０（ｍ）となるため、５（ｍ）までの距離が測定可能である。測定結果がＤ２＝３．６３（ｍ）であるとすると、Ｄ２の小数点第１位の数値が採用され、ここでは０．６（ｍ）という値が得られる。
【００３２】
測定処理部２０−３の変調周波数がｆ３＝３００（ＭＨｚ）であるとすると、波長はλ３＝１（ｍ）となるため、０．５（ｍ）までの距離が測定可能である。このときの測定結果がＤ３＝０．０２５２（ｍ）であるとすると、Ｄ３の小数点第２位以下の数値が採用され、ここでは０．０２５２（ｍ）という値が得られる。
【００３３】
各測定処理部２０−１〜２０−３で得られた値は加算され、Ｄ＝４３．６２５２（ｍ）という距離が求められる。
【００３４】
【特許文献１】
特開２００２−１６８６２６号公報
【非特許文献１】
「よくわかるトータルステーション」（株）山海堂、１９９０年８月１０日、ｐ．２−３４
【非特許文献２】
「トランジスタ技術」ＣＱ出版社、１９９３年７月、ｐ．２８８−３０３
【００３５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光波位相差測定装置１００には次のような問題がある。
【００３６】
光を高周波で変調する場合には、測定処理部２０でランダムノイズ（熱ノイズ）や変調周波数に同期したノイズ（同期ノイズ）が発生する。このため外部光及び内部参照光の測定結果にはノイズの位相が重畳されている。つまり精確な測定結果は得られない。熱ノイズの場合は測定回数を多くすることで精度を補完することが可能である。しかし同期ノイズの場合は測定回数を多くしても効果はない。
【００３７】
ここで同期ノイズについて図１２を用いて説明する。図１２（ａ）は外部光の位相と同期ノイズの位相との関係を示す図であり、図１２（ｂ）は内部参照光の位相と同期ノイズの位相との関係を示す図である。
【００３８】
外部光測定時に、ＬＰＦ２６から出力され、上記（３）式、（５）式で示される信号を複素数表示すると下記（７）式となる。
｛ＦＴ｝＝ｅ＾ｊ（ωＰｔ＋φＴ−φ０）    （７）
なお記載上、“｛｝”は複素数を意味し、“＾”は累乗を意味している。
【００３９】
一方、外部光測定時に発生する同期ノイズを複素数表示すると下記（８）式となる。
｛ＮＴ｝＝ＮＴｅ＾ｊ（ωＰｔ＋φｎｚ）    （８）
【００４０】
図１２（ａ）に示すように実際には、真の信号ＦＴに同期ノイズＮＴが重畳された信号（｛ＦＴ｝＋｛ＮＴ｝）が測定される。
【００４１】
同様に参照光測定時に、ＬＰＦ２６から出力される信号を複素数表示すると下記（９）式となる。
【００４２】
｛ＦＬ｝＝ｅ＾ｊ（ωＰｔ＋φＬ−φ０）    （９）
一方、外部光測定時に発生する同期ノイズを複素数表示すると下記（１０）式となる。
｛ＮＬ｝＝ＮＬｅ＾ｊ（ωＰｔ＋φｎｚ）    （１０）
【００４３】
図１２（ｂ）に示すように実際には、真の信号ＦＬに同期ノイズＮＬが重畳された信号（｛ＦＬ｝＋｛ＮＬ｝）が測定される。
【００４４】
ＬＰＦ２６の出力をＧｒｏｕｎｄに落として０（Ｖ）にすることで同期ノイズを除去することも試みられたが、同期ノイズは位相差測定回路２７でも発生しているために、期待した効果は得られなかった。このように現状では同期ノイズを除去し、精度を補完する有効な手段はない。
【００４５】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、光を受光した状態と光を遮断した状態とでそれぞれ位相差を測定することによって、光の変調周波数に同期したノイズを除去し、光波位相差測定の精度を向上させることを第１の解決課題とするものである。
【００４６】
また従来の光波位相差測定装置１００′には次のような問題がある。
【００４７】
距離計として使用される光波位相差測定装置１００′には異なる周波数帯で光を変調する複数の測定処理部２０−ｋが設けられている。扱う周波数帯が異なると電子回路の構成が異なるため、単一の測定処理部でなく複数の測定処理部２０−ｋが必要なのであるが、このような構成によって装置内部が複雑になる。
【００４８】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、同一周波数帯の変調信号のみを扱うことによって、装置の構成を簡素にすることを第２の解決課題とするものである。
【００４９】
【課題を解決するための手段および作用、効果】
第１の課題を解決するために、第１発明は、
変調周波数に同期した光を送光する送光部と、光を受光する受光部と、送光した光と受光した光との位相差を測定する位相差測定部と、を備え、前記送光部で送光した光と目標で反射し前記受光部で受光した光との位相差を前記位相差測定部で測定する光波位相差測定装置において、
前記送光部と前記受光部との間で光を遮断する光遮断部と、
前記受光部で光を受光した状態における前記位相差測定部の測定結果と、前記光遮断部で前記受光部への光を遮断した状態における前記位相差測定部の測定結果とを用いて、変調周波数に同期したノイズが除去された位相差を求める演算部と、を備えたこと
を特徴とする。
【００５０】
第２発明は、第１発明において、
前記光遮断部は、
前記送光部から目標を経て前記受光部に到達する外部光を遮断する外部光遮断部と、
前記送光部から装置内部を経て前記受光部に到達する内部参照光を遮断する内部参照光遮断部と、を備え、
前記演算部は、前記外部光遮断部で外部光を遮断した状態における前記位相差測定部の測定結果と、前記内部参照光遮断部で内部参照光を遮断した状態における前記位相差測定部の測定結果と、前記外部光遮断部及び前記内部参照光遮断部で外部光及び内部参照光を遮断した状態における前記位相差測定部の測定結果とを用いて、変調周波数に同期したノイズが除去された位相差を求めること
を特徴とする。
【００５１】
第１、第２発明は、ＬＤ１１から光を送光したうえで、
▲１▼ＰＤ１６で外部光を受光した状態
▲２▼ＰＤ１６で内部参照光を受光した状態
▲３▼ＰＤ１６で何れの光も受光しない状態
という３つの状態をつくり、各状態で位相差の測定を行い、▲１▼の状態における測定結果及び▲２▼の状態における測定結果から▲３▼の状態における測定結果を差し引くことによって、▲１▼、▲２▼の状態における測定結果から同期ノイズφｎｚを除去し、▲１▼の状態における測定結果と▲２▼の状態における測定結果との差、すなわち外部光の位相差φＴと内部参照光の位相差φＬとの差（φＴ−φＬ）を求めるものである。本発明はＰＤ１６で全く受光されていない状態で位相差が測定されるということは、それは同期ノイズによるものである、という見地に基づいてなされたものである。
【００５２】
第１、第２発明によれば、外部光の測定結果及び内部参照光の測定結果から同期ノイズの影響を除去することができるため、光波位相差測定の精度を向上させることができる。
【００５３】
第３発明は、
変調周波数に同期した光を送光すると共に目標で反射した光を受光し、送光した光と受光した光との位相差を測定する光波位相差測定方法において、
送光した光を受光した状態で位相差を測定する受光状態測定工程と、
送光した光を遮断した状態で位相差を測定する遮断状態測定工程と、
前記受光状態測定工程における測定結果と、前記遮断状態測定工程における測定結果とを用いて、変調周波数に同期したノイズが除去された位相差を求める演算工程と、を少なくとも備えたこと
を特徴とする。
【００５４】
第４発明は、第３発明において、
前記受光状態測定工程は少なくとも、
目標で反射した外部光を受光した状態で位相差測定する外部光受光工程と、
装置内部を経た内部参照光を受光した状態で位相差測定する内部参照光受光工程と、を含み、
前記演算工程は、少なくとも前記外部光受光工程における測定結果と、前記内部参照光受光工程における測定結果と、前記遮断状態測定工程における測定結果とを用いて、変調周波数に同期したノイズが除去された位相差を求める工程と、を含むこと
を特徴とする。
【００５５】
第３、第４発明は、第１、第２発明を方法の発明に置換したものである。
【００５６】
第２の課題を解決するために、第５発明は、
変調周波数に同期した光を送光すると共に目標で反射した光を受光し、送光した光と受光した光との位相差を測定し、位相差に基づいて目標までの距離を求めるようにした光波位相差測定装置において、
周波数ｆ１の光と、受光されるまでの光路長に含まれる波長の数ｎが周波数ｆ１の光と同一である周波数ｆ２の光と、をそれぞれ送光し、
目標で反射した周波数ｆ１の光を受光し、送光した光と受光した光との位相差φ１を求め、
目標で反射した周波数ｆ２の光を受光し、送光した光と受光した光との位相差φ２を求め、
前記位相差φ１と前記位相差φ２との差である２重位相差Δφと、前記周波数ｆ１と、前記周波数ｆ２と、光速ｃとを用いて、目標までの距離Ｄを求めること
を特徴とする。
【００５７】
第５発明は、周波数ｆ１の光を目標に向けて送光し反射光を受光して送光光と受光光との位相差φ１を測定し、光路長に含まれる波長の数ｎが周波数ｆ１と同一である（以下、同一周波数帯という）周波数ｆ２の光を目標に向けて送光し反射光を受光して送光光と受光光との位相差φ２を測定し、位相差φ１と位相差φ２と差である２重位相差Δφを求め、２重位相差Δφと、周波数ｆ１と、周波数ｆ２と、光速Ｃと、を用いて目標までの距離Ｄを求めるものである。
【００５８】
第５発明によれば、同一周波数帯の変調信号を２つ用いることで距離Ｄを求めることができるため、異なる周波数帯の変調信号を生成するための電子回路が必要なくなり、装置の構成が簡素になる。
【００５９】
第６発明は、
変調周波数に同期した光を送光すると共に目標で反射した光を受光し、送光した光と受光した光との位相差を測定し、位相差に基づいて目標までの距離を求めるようにした光波位相差測定方法において、
周波数ｆ１の光を送光する工程と、
目標で反射した周波数ｆ１の光を受光し、送光した光と受光した光との位相差φ１を求める工程と、
周波数ｆ１の光と、受光されるまでの光路長に含まれる波長の数ｎが周波数ｆ１の光と同一である周波数ｆ２の光を送光する工程と、
目標で反射した周波数ｆ２の光を受光し、送光した光と受光した光との位相差φ２を求める工程と、
前記位相差φ１と前記位相差φ２との差である２重位相差Δφと、前記周波数ｆ１と、前記周波数ｆ２と、光速ｃとを用いて、目標までの距離Ｄを求める工程と、を備えたこと
を特徴とする。
【００６０】
第６発明は、第５発明を方法の発明に置換したものである。
【００６１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明に係る光波位相差測定装置及び光波位相差測定方法の実施形態について説明する。
【００６２】
［第１の実施形態］
図１は本発明に係る光波位相差測定装置の概略構成を示す図である。
【００６３】
図１の光波位相差測定装置１において、図１１で示した光波位相差測定装置１００と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００６４】
光波位相差測定装置１の光学部２が従来の光学部１０と異なるのはシャッタの構成である。光学部２は、電気的な制御により位置Ｓ３ｏ、Ｓ３ｃ間を移動しＳ３ｃの位置で外部光路を遮断する外部光シャッタ３と、電気的な制御により位置Ｓ４ｏ、Ｓ４ｃ間を移動しＳ４ｃの位置で内部参照光路を遮断する参照光シャッタ４とを有する。外部光シャッタ３と参照光シャッタ４は個々に制御される。したがって、ＰＤ１６で外部光のみが受光される状態、ＰＤ１６で内部参照光のみが受光される状態、ＰＤ１６で何れの光も受光されない状態をつくることができる。
【００６５】
なお上記３つの状態をつくれるのであれば、光学部の構成はどのようにしてもよい。その一例を図２、図３に示す。
【００６６】
図２、図３は光学部の他の形態を示す図である。
【００６７】
光学部２′は、送光側の光路であってハーフミラー１３の後段位置に反射ミラー５ａ、５ｂを有する。このような構成によれば、ミラー５ａ、５ｂの角度を調整することで送光光の角度を容易に変更することができる。
【００６８】
光学部２″は、光学部２′の外部光シャッタ３と参照光シャッタ４の機能を集約したシャッタ６を有する。シャッタ６は切欠部６ａを有する。切欠部６ａが外部光路上にある場合は内部参照光が遮断され、ＰＤ１６で外部光が受光される状態がつくられる。切欠部６ａが内部参照光路上にある場合は外部光が遮断され、ＰＤ１６で内部参照光が受光される状態がつくられる。それ以外の場合は外部光、内部参照光が共に遮断され、ＰＤ１６で何れの光も受光されない状態がつくられる。
【００６９】
一方、光波位相差測定装置１の測定処理部２０は基本的に従来のものと同一のものを使用できるが、位相差測定回路２７で行われる処理内容は異なる。
【００７０】
次に本実施形態の処理手順について説明する。本実施形態は下記処理（ａ）〜（ｆ）の順に行われる。
【００７１】
（ａ）外部光の測定
外部光の測定を行うために、外部光シャッタ３をＳ３ｏの位置にし、参照光シャッタ４をＳ４ｃの位置にして、基準信号Ｆに同期した光をＬＤ１１から送光する。光が送光され目標ＴＧで反射しＰＤ１６で受光されると、ミキシング回路２５では受光光の信号ＦｎＴと分周回路２２から出力された信号Ｆ１Ｓとが周波数ミキシングされ信号Ｆ３ＴＳが出力される。ＬＰＦ２６では信号Ｆ３ＴＳの高週波成分が除去され信号Ｆ４ＴＳが出力される。位相差測定回路２７では信号Ｆ４ＴＳと分周回路２２で分周された信号Ｆ２Ｓとが周波数ミキシングされ、更に高周波成分が除去されて下記（１１）式で表される信号Ｆ５ＴＳが得られる。
Ｆ５ＴＳ＝ｓｉｎ（φＴ−φ０）＋ＮＴｓｉｎφｎｚ    （１１）
【００７２】
分周回路２２から出力される信号Ｆ１Ｓに対して９０°位相をずらした信号Ｆ１Ｃについても同様の処理が行われ、位相差測定回路２７では下記（１２）式で表される信号Ｆ５ＴＣが得られる。
Ｆ５ＴＣ＝ｃｏｓ（φＴ−φ０）＋ＮＴｃｏｓφｎｚ    （１２）
【００７３】
（ｂ）ノイズの測定
ノイズの測定を行うために、外部光シャッタ３をＳ３ｃの位置にし、参照光シャッタ４をＳ４ｃの位置にして、基準信号Ｆに同期した光をＬＤ１１から送光する。送光光は各シャッタ３、４で遮断され、ＰＤ１６では光が受光されない。この状態で測定が行われると、位相差測定回路２７では下記（１３）、（１４）式で表される信号ＮＴＳ、ＮＴＣが得られる。
ＮＴＳ＝ＮＴｓｉｎφｎｚ    （１３）
ＮＴＣ＝ＮＴｃｏｓφｎｚ    （１４）
【００７４】
（ｃ）外部光におけるノイズの除去
演算部２８では、外部光の測定結果（上記（１１）式）からノイズの測定結果（上記（１３）式）を差し引くことによってｓｉｎ（φＴ−φ０）が求められ、内部参照光の測定結果（上記（１２）式）からノイズの測定結果（上記（１４）式）を差し引くことによってｃｏｓ（φＴ−φ０）が求められる。更にｓｉｎ（φＴ−φ０）／ｃｏｓ（φＴ−φ０）＝ｔａｎ（φＴ−φ０）より（φＴ−φ０）が求められる。
【００７５】
（ｄ）内部参照光の測定
内部参照光の測定を行うために、外部光シャッタ３をＳ３ｃの位置にし、参照光シャッタ４をＳ４ｏの位置にして、基準信号Ｆに同期した光をＬＤ１１から送光する。光が送光されハーフミラー１３、ミラー１７で反射しＰＤ１６で受光されると、測定処理部２０で（ａ）と同様の処理が行われ、位相差測定回路２７では下記（１５）、（１６）式で表される信号Ｆ５ＬＳ、Ｆ５ＬＣが得られる。
Ｆ５ＬＳ＝ｓｉｎ（φＬ−φ０）＋ＮＬｓｉｎφｎｚ    （１５）
Ｆ５ＬＣ＝ｃｏｓ（φＬ−φ０）＋ＮＬｃｏｓφｎｚ    （１６）
【００７６】
（ｅ）ノイズの測定
ノイズの測定を行うために、外部光シャッタ３をＳ３ｃの位置にし、参照光シャッタ４をＳ４ｃの位置にして、基準信号Ｆに同期した光をＬＤ１１から送光する。送光光は各シャッタ３、４で遮断され、ＰＤ１６では光が受光されない。この状態で測定が行われると、位相差測定回路２７では下記（１７）、（１８）式で表される信号ＮＬＳ、ＮＬＣが得られる。
ＮＬＳ＝ＮＬｓｉｎφｎｚ    （１７）
ＮＬＣ＝ＮＬｃｏｓφｎｚ    （１８）
【００７７】
（ｆ）内部参照光におけるノイズの除去
演算部２８では、内部参照光の測定結果（上記（１５）式）からノイズの測定結果（上記（１７式）を差し引くことによってｓｉｎ（φＬ−φ０）が求められ、内部参照光の測定結果（上記（１６）式）からノイズの測定結果（上記（１８）式）を差し引くことによってｃｏｓ（φＬ−φ０）が求められる。更にｓｉｎ（φＬ−φ０）／ｃｏｓ（φＬ−φ０）＝ｔａｎ（φＬ−φ０）より（φＬ−φ０）が求められる。
【００７８】
（ｇ）真の位相差の演算
上記（ｃ）で求めた（φＴ−φ０）から上記（ｆ）で求めた（φＬ−φ０）を差し引くことによって（φＴ−φＬ）が求められる。
【００７９】
なお上記（ａ）〜（ｇ）は測定処理の一例である。ここではノイズの測定を外部光の測定及び内部参照光の測定の後にそれぞれ行うようにしている。しかし、外部光の測定を少なくとも１回、内部参照光の測定を少なくとも１回、ノイズの測定を少なくとも１回行い、外部光の測定結果からノイズの測定結果を差し引き、内部参照光の測定結果からノイズの測定結果を差し引くようにするのであれば、その回数や順序は任意である。
【００８０】
本実施形態によれば、外部光の測定結果及び内部参照光の測定結果から同期ノイズの影響を除去することができるため、光波位相差測定の精度を向上させることができる。
【００８１】
図４、図５は光波位相差測定装置を変位計として使用した場合の測定結果を示す図である。図４は本発明適用前の測定結果を示しており、図１０に示す光波位相差測定装置１００のＬＰＦ２６の出力をＧｒｏｕｎｄに落として０（Ｖ）にした装置を使用している。図５は本発明適用後の測定結果を示しており、図１に示す光波位相差測定装置１を使用している。各図の横軸はデータ番号を示し、縦軸は変位量を示す。データ番号とは１回の測定実験の結果を示しており、１回の測定実験では所定回数の測定を行い、その平均を取っている。
【００８２】
本実験では、所定距離離れた位置に目標を設け、目標に送光して所定回数の測定を行い、最初の測定値に対する２回目以降の測定値のばらつきを調べている。当然ではあるが、本発明適用前の実験と本発明適用後の実験とは同一条件で行われている。但し、実験回数は本発明適用後の実験の方が少ない。
【００８３】
図４、図５を比較すると、本発明によって測定された変位のばらつきは、従来装置によって測定された変位のばらつきの１／２程度であることが判る。これは本発明によると従来装置と比較して精度が２倍になることを意味する。
【００８４】
図６（ａ）、（ｂ）は光波位相差測定装置を変位計として使用する場合の一実施例を示す図である。
【００８５】
ここではトンネル内の変位を測定する場合を想定している。図６（ａ）に示すように、光波位相差測定装置１−ｋ（ｋ＝１〜ｎ）はトンネル内で一定間隔毎（一定間隔でなくてもよい）に配置される。各光波位相差測定装置１−ｋは入出力装置４１と通信線４２−ｋで接続され、入出力装置４１は端末装置４３に接続されている。処理装置４３では、各光波位相差測定装置１−ｋからの測定結果が入力され、所望のデータに加工されて出力される。
【００８６】
なお図６（ａ）では、各光波位相差測定装置１−ｋと入出力装置４１とが通信線４２−ｋを介して個々に接続された例を示しているが、図６（ｂ）に示すように、光波位相差測定装置１−ｋが通信線４４−ｋを介して直列に接続され、末端の光波位相差測定装置１−１と入出力装置４１とが通信線４４−１を介して接続されていてもよい。
【００８７】
図６（ａ）に示す構成の場合は、各光波位相差測定装置１−ｋの測定結果がそれぞれ独立した状態で得られる。一方、図６（ｂ）に示す構成の場合は、端末装置４３から測定開始信号Ｓが出力されると、各光波位相差測定装置１−ｋでは同時に入力された信号Ｓによって測定が開始され、図７に示すように、各光波位相差測定装置１−ｋの測定結果が同期した状態で得られる。
【００８８】
図６（ｂ）に示す構成の場合は、同一時間内の変位の伝送状態を把握することができ、構造物の分析に役立てることができる。更に、通信線の全長が短くなるためコストが低減する。また見かけ上はトンネル内に１本の通信線のみが存在する事と等しくなり、通信線の収容スペースが小さくなる。
【００８９】
なお本実施形態を図１１に示した距離計として使用される光波位相差測定装置に使用すれば、距離計としての精度を向上させることが可能となる。
【００９０】
［第２の実施形態］
次に光波位相差測定装置を距離計として使用する第２の実施形態について説明する。
【００９１】
図８は本発明に係る光波位相差測定装置の概略構成を示す図である。
【００９２】
図８の光波位相差測定装置５０において、図１０で示した光波位相差測定装置１００と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００９３】
光波位相差測定装置５０の光学部１０の構成は従来の光波位相差測定装置１００の光学部１０の構成と同一でよい。一方、測定処理部７は従来の測定処理部２０と発振回路が異なっている。測定処理部７は同一周波数帯の範囲で発振周波数が可変である可変周波数発振回路８を有する。
【００９４】
本発明はつぎのような見地に基づきなされたものである。図９は第２の実施形態の考え方を説明する図である。
【００９５】
光路Ｌ＝距離Ｄ×２において、周波数ｆ１、波長λ１の波の数をｎ１とし、周波数ｆ２（＞ｆ１）、波長λ２（＜λ１）の波の数をｎ２とした場合、波の数ｎ１、ｎ２が整数であるとすると、２重位相差Δφは０である。
【００９６】
Ｌ＝０の時に２重位相差Δφ＝０であり、Ｌの増加と共に２重位相差Δφは増加し、ｎ２＝ｎ１＋１となった時にΔφ＝２πとなる。すなわちｎ１＝ｎ２として、この２重位相差Δφを求めることで光路Ｌすなわち距離Ｄを求めることができる。
【００９７】
次に本実施形態の処理手順について説明する。
【００９８】
最初に周波数ｆ１（波長λ１）の変調信号にて外部光の測定が行われる。可変周波数発振回路８で周波数ｆ１の変調信号が発振されると、ドライバ２３は周波数ｆ１に同期してＬＤ１１を動作させる。すると位相を有する信号Ｆのレーザ光がＬＤ１１から送光される。シャッタ１４が位置Ｓｂにされ内部参照光路が遮断された状態では、送光光はターゲットＴＧで反射し、集光レンズ１５で集光され、ＰＤ１６で受光される。測定処理部７で信号の処理が行われ、位相差測定回路２７では位相差φＴ１が求められる。
【００９９】
次に周波数ｆ１の変調信号にて内部参照光の測定が行われる。シャッタ１４が位置Ｓａにされ外部光路が遮断された状態では、送光光はハーフミラー１３、ミラー１７で反射し、ＰＤ１６で受光される。測定処理部７で信号の処理が行われ、位相差測定回路２７では位相差φＬ１が求められる。
【０１００】
そして演算部２８では周波数ｆ１における初期位相を除去した位相差Δφ１＝φＴ１−φＬ１が求められる。
【０１０１】
可変周波数発振回路８の発振周波数を周波数ｆ２（波長λ２）に変更して同様の処理が行われると、周波数ｆ２における初期位相を除去した位相差Δφ２＝φＴ２−φＬ２が求められる。演算部２８ではΔφ１、Δφ２の演算後に更に次に示す演算が行われる。
【０１０２】
光路長Ｌは下記（１９）式、（２０）式のように表される。
Ｌ＝ｎ１λ１＋（Δφ１／２π）λ１    （１９）
Ｌ＝ｎ２λ２＋（Δφ２／２π）λ２    （２０）
上記（１９）式、（２０）式の両辺に（λ１λ２）を乗算すると、下記（２１）式、（２２）式が得られる。
λ２Ｌ＝λ１λ２〔ｎ１＋（Δφ１／２π）〕    （２１）
λ１Ｌ＝λ１λ２〔ｎ２＋（Δφ２／２π）〕    （２２）
【０１０３】
ｎ１＝ｎ２であり、２重位相差Δφ＝Δφ２−Δφ１とすると、（２２）式−（２１）式から下記（２３）式で示す光路長Ｌが求められる。
（λ１−λ２）Ｌ＝λ１λ２（Δφ／２π）
Ｌ＝〔λ１λ２／（λ１−λ２）〕（Δφ／２π）
Ｌ＝〔Ｃ／（ｆ２−ｆ１）〕（Δφ／２π）    （２３）
よって、下記（２４）式に示すように、距離Ｄが求められる。
Ｄ＝１／２［〔Ｃ／（ｆ２−ｆ１）〕（Δφ／２π）］    （２４）
このように２重位相差Δφ、周波数ｆ１、ｆ２を、光速Ｃを用いて距離Ｄが求められる。
【０１０４】
しかしながら上記（２４）式において、例えば周波数ｆ１＝３５０（ＭＨｚ）、ｆ２＝３５３（ＭＨｚ）とした場合、（ｆ２−ｆ１）は３（ＭＨｚ）となり、３（ＭＨｚ）の周波数で光を変調して測定することと等しくなる。このため高精度の測定を望めない。
【０１０５】
そこで上記（２４）式から得られる距離を略距離ＤＴとし、更に次の処理を行う。
【０１０６】
下記（２５）式に示すように、略距離ＤＴを用いて光路Ｌ＝２Ｄの中に含まれる波長λ１（λ２でもよい）の数ｎｘを求める。但し、ｎｘは整数、αは小数である。
【０１０７】
２ＤＴ／λ１＝ｎｘ＋α    （２５）
このようにして求めたｎｘと既に求めたΔφ１を上記（１９）式に代入することによって、真の距離Ｄｘは下記（２６）式で表される。
【０１０８】
Ｄｘ＝（λ１／２）ｎｘ＋（Δφ１／２π）（λ１／２）    （２６）
この距離計は周波数ｆ１、例えば３５０（ＭＨｚ）の周波数で光を変調して測定することと等しくなる。したがって高精度の測定が行える。
【０１０９】
本実施形態によれば、同一周波数帯の変調信号を２つ用いることで距離Ｄを求めることができるため、異なる周波数帯の変調信号を生成するための電子回路が必要なくなり、装置の構成が簡素になる。
【０１１０】
なお、本実施形態で説明した距離計に第１の実施形態で説明したノイズ除去の技術を適用すれば、ノイズの影響を除去した精度の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１の実施形態に係る光波位相差測定装置の概略構成を示している。
【図２】図２は光学部の他の形態を示す図である。
【図３】図３は光学部の他の形態を示す図である。
【図４】図４は従来の光波位相差測定装置を変位計として使用した場合の測定結果を示す図である。
【図５】図４は本発明の光波位相差測定装置を変位計として使用した場合の測定結果を示す図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は光波位相差測定装置を変位計として使用する場合の一実施例を示す図である。
【図７】図７は同期した測定結果を示す図である。
【図８】図８は第２の実施形態に係る光波位相差測定装置の概略構成を示している。
【図９】図９は第２の実施形態の考え方を説明する図である。
【図１０】図１０は従来の光波位相差測定装置の概略構成を示す図である。
【図１１】図１１は距離計として使用される光波位相差測定装置を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）は外部光の位相と同期ノイズの位相との関係を示す図であり、図１２（ｂ）は内部参照光の位相と同期ノイズの位相との関係を示す図である。
【符号の説明】
１    光波位相差測定装置
２    光学部
３    外部光シャッタ
４    内部光シャッタ
１１  レーザダイオード（ＬＤ）
１６  フォトダイオード（ＰＤ）
２１  発振回路
２７  位相差測定回路
２８  演算部
【図１】
2004257961.tif 000003
【図２】
2004257961.tif 000004
【図３】
2004257961.tif 000005
【図４】
2004257961.tif 000006
【図５】
2004257961.tif 000007
【図６】
2004257961.tif 000008
【図７】
2004257961.tif 000009
【図８】
2004257961.tif 000010
【図９】
2004257961.tif 000011
【図１０】
2004257961.tif 000012
【図１１】
2004257961.tif 000013
【図１２】
2004257961.tif 000014